Ist 3D-Druck die Zukunft des Batteriedesigns?

Batterien Getty

Eine der Schlüsseltechnologien unseres Lebensstils im 21. Jahrhundert ist die Lithium-Ionen-Batterie. Diese Energiepakete ermöglichen Mobiltelefone und Elektroautos, Laptops und Gesundheitsgeräte, Roboter und ferngesteuerte Sensoren und vieles mehr. Es überrascht vielleicht nicht, dass ihre Entwickler Anfang dieses Jahres mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden.

Aber Materialwissenschaftler brauchen dringend bessere Batterien für das Internet der Dinge, für die nächste Generation persönlicher Geräte und vieles mehr. Bessere Batterien werden auch gefordert, eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Energie aus erneuerbaren, aber unsteten Quellen wie Wind und Sonne zu spielen.

Die Akkuleistung ist das Ergebnis zahlreicher unterschiedlicher Faktoren. Die Energiedichte ist entscheidend; ebenso die Fähigkeit, Ladung zu halten, ohne dass sie entweicht. Hinzu kommt die Wiederaufladbarkeit – nicht nur einmal, sondern tausend- oder zehntausendmal – und natürlich die Sicherheit.

Elektrochemiker wissen nur zu gut, wie heikel dieser Balanceakt ist. Folglich sind Batteriehersteller vorsichtig, wenn es darum geht, neue Ansätze auszuprobieren, damit nicht ein Aspekt der Leistung nachlässt. Daher sind Verbesserungen normalerweise inkrementell und winzig. Woher kommen wahrscheinlich die großen Verbesserungen, die wir brauchen?

Heute bekommen wir eine Art Antwort: Batterien der Zukunft werden im 3D-Druck hergestellt, sagen Vladimir Egorov von der University of Cork in Irland und einige Kollegen. Diese Leute haben die verschiedenen neuen Drucktechniken für Batterien untersucht und schlagen vor, dass dies eine neue Generation kleinerer, leistungsfähigerer Geräte ermöglichen wird.

Zuerst etwas Hintergrund. 3D-Druck ist der Oberbegriff für eine Vielzahl von Techniken, die es ermöglichen, dreidimensionale Objekte durch schichtweises Hinzufügen von Material aufzubauen. Es kann eine Möglichkeit sein, Prototypen zu Testzwecken zu erstellen – ganz zu schweigen von exotischen Lebensmitteln, Ersatzkörperteilen und sogar ganzen Gebäuden. Der parallele Einsatz vieler Druckmaschinen ermöglicht die Massenproduktion von Artikeln wie Auto- und Flugzeugteilen und Schuhen. Und wenn ein neues Design verfügbar ist, kann es schnell gedruckt werden, mit minimaler Neukonfiguration eines Fabrikraums.

Materialwissenschaftler haben auch damit begonnen, mit Möglichkeiten zu experimentieren, elektronische Schaltungen mit Polymertinten und einem Silberpolymer für Leiterbahnen zu drucken, sodass Löten nicht mehr erforderlich ist. Auf diese Weise können Leiterplatten mehr oder weniger beliebige Formen annehmen und sogar Teil der Struktur eines Geräts werden.

Eine wesentliche Einschränkung ist jedoch die Notwendigkeit, herkömmliche Batterien einzubauen, die in bestimmten Größen und Formen erhältlich sind.

Die Möglichkeit, 3D-Batterien zu drucken, wird das ändern. Wenn sie gedruckt werden können, um sich nahtlos in das Produktdesign zu integrieren, auch aus ästhetischen, Komfort- oder funktionalen Gründen, muss die sperrigere Standardbatterie mit festem Formfaktor nicht in der Phase des Produktdesigns berücksichtigt werden, sagen Egorov und Co.

Das ist leichter gesagt als getan. Die in Batterien verwendeten elektroaktiven Materialien sind von Natur aus reaktiv, und Strukturen wie Anoden und Kathoden sind physikalisch komplex. Sie müssen oft geordnet sein wie Kristalle und manchmal porös wie molekulare Schwämme. Immer müssen sie chemisch gut charakterisiert sein.

Es ist eine Herausforderung, Versionen dieser Materialien zu erstellen, die für den 3D-Druck geeignet sind, sei es durch die Extrusion eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit oder durch die Polymerisation einer Flüssigkeit. Nach dem Drucken müssen diese Materialien ihre elektrischen Verbindungen aufrechterhalten, alle chemischen Reaktionen, die zwischen den Komponenten stattfinden, streng kontrollieren und sicherstellen, dass die Batterien über viele Zyklen hinweg geladen und entladen werden können.

Batterien müssen vor allem sicher sein. Alle Batterien müssen strenge Sicherheitsstandards erfüllen, bevor sie in Haushalten, Fahrzeugen, Flugzeugen usw. verwendet werden können. Auslaufende Batterien können teure Schäden verursachen. Aber das größte Risiko ist Feuer. Es kann sein, dass sich die Prüfkriterien ändern müssen, um neue Designs zu ermöglichen, die sich ständig ändern.

Und selbst wenn all diese Herausforderungen bewältigt werden können, stellt sich eine weitere Frage. Werden 3D-Batterien leistungsfähiger sein als bestehende Designs?

Egorov und Co. geben einen umfassenden Überblick über die Materialien, Methoden und Herausforderungen, denen sich die Batterieindustrie beim Drucken der Power Packs der Zukunft stellen muss. Die Gutachter übersehen jedoch ein wichtiges Element des zukünftigen Batteriedesigns, bei dem der 3D-Druck eine wichtige Rolle spielen könnte.

Eine der größten und wichtigsten Herausforderungen für die Batterieindustrie besteht darin, ihre Produkte recycelbar zu machen. Heutige Batterien sind so konstruiert, dass sie nicht einfach zerlegt werden können, sodass eine Wiederverwendung der darin enthaltenen wertvollen Materialien nahezu unmöglich ist.

Das passt nicht zu einer Technologie, die beim gesellschaftlichen Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien eine zentrale Rolle spielen muss.

Veränderung ist also dringend nötig. Die derzeitige Meinung ist, dass Batterien von Anfang an unter Berücksichtigung des Recyclings entwickelt werden müssen, und dass dies eine völlig neue Denkweise von Batteriedesignern erfordert. Die Flexibilität, die der 3D-Druck ermöglicht, hat das Potenzial, diese dringend benötigte Revolution anzustoßen und zu beschleunigen.

Während Egerov und Co. dieses Thema ignorieren (der Begriff Recycling kommt in ihrem Papier nicht vor), kann sich der Rest der Batterieindustrie das nicht leisten.

Ref: arxiv.org/abs/1912.04400 : Entwicklung von 3D-Druckverfahren und Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung

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