Seit mehr als zwei Jahrzehnten versorgen uns Lithium-Ionen-Batterien mit Energie für fast alles, was uns umgibt. Sie stecken in Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeugen, Drohnen und sogar vielen medizinischen Geräten. Batterien haben sich im Laufe der Jahre stark verbessert. Dennoch können sie überhitzen, teure Materialien wie Kobalt verwenden und ihre Verbesserung wird zunehmend schwieriger. Anstatt eine völlig neue Batterie zu entwickeln, konzentrieren sich Forscher am California Institute of Technology (Caltech) auf die bereits vorhandene. Ihre Idee ist es, das Innere mit Hilfe von 3D-Druck neu zu gestalten. Die Arbeit des Teams konzentriert sich dabei auf eine der wichtigsten Komponenten der Batterie: die Kathode.
Eine andere Art, eine Batterie zu bauen
Die meisten heutigen Lithium-Ionen-Batterien werden mit flachen, geschichteten Elektroden aufgebaut. Dies ist ein Design, das seit Jahren gut funktioniert, da es relativ einfach herzustellen ist. Das Caltech-Team geht jedoch anders vor. Anstatt eine flache Kathode herzustellen, haben sie eine mit einer winzigen, sorgfältig konstruierten Struktur entworfen und im 3D-Druckverfahren gefertigt. Anstatt sich durch eine flache Schicht zu bewegen, können sich Lithium-Ionen nun durch ein komplexeres 3D-Netzwerk bewegen. Die Forscher sagen, dass dies der Batterie helfen könnte, Energie effizienter zu speichern und abzugeben.
Das ist wichtig, denn jedes Mal, wenn eine Batterie geladen oder entladen wird, müssen Lithium-Ionen zwischen den Elektroden wandern. Wenn dieser Weg kürzer und reibungsloser ist, kann die Batterie besser funktionieren.
„Wenn man eine Batterie herstellt, die 3D-architektonisch statt planar ist, wird jedes Lithium-Ion eine aktive Oberfläche zur Verfügung haben, während es sich durch den Elektrolyten transportiert“, sagt Julia Greer, Professorin für Materialwissenschaft, Mechanik und Medizintechnik am Caltech, deren Labor daran arbeitet, Li-Ionen-Batterien zu verbessern.
Laut den Forschern bieten diese zusätzlichen Oberflächen den Ionen mehr Bewegungsspielraum und helfen der Batterie, Energie effizienter zu übertragen als ein herkömmliches flaches Design.
Die Ergebnisse wurden in der Veröffentlichung „Structure–Transport Relationships in Microarchitected LiFePO4–Carbon Li Ion Battery Electrodes“ in ACS Energy Letters veröffentlicht. Die Arbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem Jet Propulsion Laboratory der NASA durch seinen President’s and Director’s Research and Development Fund und dem Caltech unterstützt.
Abschied von Kobalt
Eine der größten Veränderungen ist das Material. Die neue Batteriekomponente verwendet kein Kobalt, ein Metall, das in vielen heutigen Lithium-Ionen-Batterien vorkommt. Kobalt ist teuer, die Vorräte sind begrenzt und der Abbau hat Bedenken hinsichtlich Umwelt und Menschenrechte aufgeworfen. Batterieunternehmen versuchen seit Jahren, es zu reduzieren oder zu ersetzen, und diese Forschung könnte dabei helfen.