Neues 3D-Druckverfahren bietet neuartige Möglichkeiten zur Energiespeicherung

UNSW-Ingenieure haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Festkörper-Polymerelektrolyte für die Energiespeicherung in jede gewünschte Form drucken lassen. Das Forschungsteam der School of Chemical Engineering unter der Leitung von Professor Cyrille Boyer, zu dem auch Dr. Nathaniel Corrigan und Kenny Lee gehören, erklärt, dass das 3D-Druckverfahren für solche Materialien besonders nützlich für zukünftige medizinische Geräte sein könnte, bei denen kleine, kompliziert gestaltete Energiespeicher eine Reihe von Vorteilen bieten.

Festkörperelektrolyte sind eine Schlüsselkomponente in Festkörperbatterien, obwohl sie traditionell aufgrund geringer Ionenleitfähigkeit oder schlechter mechanischer Eigenschaften eine schlechte Leistung aufweisen.

In einer Arbeit, die in der Fachzeitschrift Advanced Material veröffentlicht wurde, berichtet das UNSW-Team jedoch, dass ihr 3D-gedruckter fester Polymerelektrolyt (SPE) sowohl eine hohe Leitfähigkeit als auch eine robuste Festigkeit aufweist.

Dies bedeutet, dass die Festkörperelektrolyte potenziell als eigentliche Struktur eines Geräts verwendet werden können, was eine Reihe von denkbaren Designmöglichkeiten eröffnet, insbesondere für zukünftige medizinische Produkte.

“Niemand hat bisher feste Polymerelektrolyte in 3D gedruckt. Bisher wurden sie mit Hilfe einer Form hergestellt, aber die bisherigen Verfahren boten nicht die Möglichkeit, die Stärke des Materials zu kontrollieren oder es in komplexe Formen zu bringen”, sagt Kenny Lee.

“Wenn man bei den bestehenden Festkörperelektrolyten die mechanische Festigkeit des Materials erhöht, geht ein Großteil der Leitfähigkeit verloren. Wenn man eine höhere Leitfähigkeit wünscht, ist das Material viel weniger robust. Was wir erreicht haben, ist eine gleichzeitige Kombination aus beidem, die in anspruchsvollen Geometrien 3D-gedruckt werden kann.

Dieser Polymerelektrolyt hat das Potenzial, ein tragfähiges Energiespeichermaterial zu sein. Aufgrund seiner Festigkeit könnte es als eigentliche Struktur für kleine elektronische Geräte, in der Luft- und Raumfahrt oder in kleinen medizinischen Geräten verwendet werden, da unser 3D-Druckverfahren sehr kompliziert und präzise ist.

Mit den Systemen, die wir verwenden, können wir wirklich winzige Strukturen herstellen. Es gibt also fantastische Anwendungsmöglichkeiten in der Nanotechnologie und überall dort, wo man Energiespeicher auf Mikroebene entwickeln muss.”

Erhöhte Zyklenstabilität

Obwohl der vom UNSW-Team entwickelte feste Polymerelektrolyt als Hochleistungsmaterial gilt, kann er laut den Forschern mit preiswerten und handelsüblichen 3D-Druckern hergestellt werden, anstatt mit komplizierten technischen Geräten.

Der in der Arbeit beschriebene SPE besteht aus ionenleitenden Kanälen im Nanomaßstab, die in eine starre, vernetzte Polymermatrix eingebettet sind. Sie wird durch ein Verfahren hergestellt, das als polymerisationsinduzierte Mikrophasentrennung (PIMS) bekannt ist.

Um die Vielseitigkeit des Materials zu demonstrieren, druckten die Forscher eine komplizierte Karte Australiens in 3D, die dann als Energiespeicher getestet wurde.

“Einer der weiteren Vorteile dieser SPE in Energiespeichern ist die Tatsache, dass sie die Zyklenstabilität erhöht, d. h. die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, bis die Kapazität auf einen bestimmten Wert reduziert ist”, sagt Dr. Corrigan. “In unserer Arbeit zeigen wir, dass dieses Material sehr stabil ist und sich über Tausende von Zyklen auf- und entladen kann. Nach 3000 Zyklen gab es nur noch einen Abfall von etwa 10 Prozent.”

Die Forscher sagen, dass der 3D-Druck im Vergleich zu anderen traditionellen Herstellungsmethoden auch den Abfall reduziert und die Kosten senkt, da dieselbe Maschine für die Herstellung einer Vielzahl unterschiedlich geformter Materialien verwendet werden kann.

In Zukunft könnten Produktdesigner ihre SPE nutzen, um Gegenstände mit einer viel höheren Energiespeicherdichte zu entwerfen, so die Forscher.

“Stellen Sie sich einen Ohrstöpsel vor, der hauptsächlich aus diesem Material besteht, das gleichzeitig als Batterie fungiert. Die Speicherdichte wird viel höher sein und die Energie würde daher länger reichen”, sagt Professor Boyer. “Wir hoffen wirklich, dass wir die Kommerzialisierung vorantreiben können, weil wir einige wirklich unglaubliche Materialien und Prozesse entwickelt haben.”

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