Neues 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Batterieelektroden

Ein Ingenieurs-Team der Carnegie Mellon University in Pennsylvania, USA, entwickelte ein neues 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Batterieelektroden, welches 3D-Mikrogitterstrukturen mit kontrollierter Porosität erzeugen kann.

Poren und Kanäle in Elektroden können die Kapazität sowie Lade- / Entladeraten von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessern. Um interne Geometrien für poröse Elektroden mittels additiver Fertigung zu erzeugen, kam bisher ein Verfahren namens ineinandergreifende Geometrie zum Einsatz. Durch diese ineinandergreifende Geometrie, bei welcher Metallzinken wie Hände ineinandergreifen, wird Lithium durch die Batterie transportiert und kann somit Laden bzw. Entladen.

Um diesen Vorgang nun zu revolutionieren schlossen sich Ingenieure der Carnegie Mellon University in Pennsylvania, USA, zusammen und entwickelten ein neues 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Batterieelektroden. Mit diesem Verfahren lassen sich nun 3D-Mikrogitterstrukturen mit kontrollierter Porosität erzeugen, welche die Kapazität sowie Lade- / Entladeraten von Lithium-Ionen-Batterien um ein Vielfaches verbessern.

Entwickelt wurde diese neue 3D-Druckmethode von einem Forscherteam unter der Leitung von Rahul Panat, Associate Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, in Zusammenarbeit mit der Missouri University of Science and Technology unter Verwendung von Aerosol-Jet-3D-Druck.

Die Forschung wurde bereits in der Zeitschrift Additive Manufacturing publiziert:

“Bei Lithium-Ionen-Batterien können die Elektroden mit poröser Architektur zu höheren Ladekapazitäten führen”, sagt Panat. “Dies liegt daran, dass solche Architekturen dem Lithium ermöglichen, das Elektrodenvolumen zu durchdringen, was zu einer sehr hohen Elektrodenausnutzung und dadurch zu einer höheren Energiespeicherkapazität führt.”

Im Gegensatz zu mit dem neuen Verfahren hergestellten Batterien, nutzen herkömmliche Batterien nur rund 30 bis 50% des gesamten Elektrodenvolumens.

“Unsere Methode überwindet dieses Problem durch den 3D-Druck, bei dem wir eine Mikrogitter-Elektrodenarchitektur schaffen, die den effizienten Transport von Lithium durch die gesamte Elektrode ermöglicht, was auch die Batterieladungsraten erhöht”, erklärt Panat.

Im Rahmen der Forschungen stellte sich heraus, dass sich Mikrolackstruktur (Ag) als bestes Material für Batterieelektroden von Lithium-Ionen-Batterien eignet. Mikrolackstruktur bietet viele Vorteile, darunter eine verbesserte Batterieleistung, eine vierfache Erhöhung der spezifischen Kapazität und, im Vergleich zu einer massiven Block-(Ag)-Elektrode, eine zweifache Zunahme der Flächenkapazität. Ebenso zeigte sich, dass die komplexen 3D-Gitterstrukturen der Elektroden selbst nach vierzig elektrochemischen Zyklen noch erhalten blieben.

Bislang kam bei der additiven Fertigung von Batterien Extrusions-basierter 3D-Druck zum Einsatz. Die neue Methode der Carnegie Mellon-Forscher wiedersetzte sich diesem und nutzte stattdessen die vorhandenen Fähigkeiten eines Aerosol Jet 3D-Drucksystems. Bei diesem System setzen sich einzelne Tröpfchen nacheinander zu einer 3D-Struktur zusammen und können so, im Gegensatz zu Extrusions-basiertem 3D-Druck, komplexe Geometrien erzeugen.

“Weil diese Tröpfchen voneinander getrennt sind, können wir diese neuen komplexen Geometrien erzeugen”, sagte Panat. “Wenn es sich um einen einzelnen Materialfluss handeln würde, wie es beim Extrusionsdruck der Fall ist, wären wir nicht in der Lage, sie herzustellen. Das ist eine neue Sache. Ich glaube nicht, dass irgendjemand bisher 3D-Druck verwendet hat, um solche komplexen Strukturen zu schaffen.”

Nach Aussage der Forscher soll das neue 3D-Druckverfahren in zwei bis drei Jahren für industrielle Anwendungen, vor allem in den Bereichen Unterhaltungselektronik, Medizinprodukteindustrie oder Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bereit sein.