Nur wenige Tage nachdem Forscher des California Institute of Technology ein 3D-gedrucktes Design für Lithium-Ionen-Batterien vorgestellt hatten, hat ein anderes Universitätsteam einen weiteren Durchbruch bei Batterien mithilfe der additiven Fertigung (AM) bekannt gegeben.
Diesmal entwickelten Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA), eine 3D-gedruckte hybride Zink-Ionen-Batterie, die mehr als siebenmal so viel Energie speichern kann wie vergleichbare Geräte. Das Team sagt, dass die Technologie eines Tages zur Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft beitragen könnte.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien kombiniert die hybride Zink-Ionen-Batterie Merkmale von Batterien und Superkondensatoren, was ihr ermöglicht, große Energiemengen zu speichern und diese schnell abzugeben. Diese Batterien verwenden Zink, ein Material, das billiger, leichter zu finden und typischerweise als sicherer gilt. Das hat sie zu einer vielversprechenden Option für die Speicherung erneuerbarer Energien gemacht, wo Kosten und Sicherheit normalerweise wichtiger sind als die Kompaktheit und das geringe Gewicht der Batterien. Batterien, die zur Speicherung von Strom aus Solar- und Windparks verwendet werden, müssen außerdem jahrelang halten und schnell wieder aufgeladen werden können. Die Herausforderung bestand darin, genügend Energie zu speichern, um mit anderen Batterietechnologien konkurrieren zu können.
„Die Zukunft der Energiespeicherung wird nicht durch eine einzelne Technologie definiert werden“, sagte der Co-Korrespondenzautor Maher El-Kady, Assistenzforscher in der Abteilung für Chemie und Biochemie der UCLA und Mitbegründer sowie Chief Science and Technology Officer von Nanotech Energy. „Irgendwann werden wir nach etwas suchen müssen, das die aktuellen Optionen für die Netzspeicherung ergänzt. Was wir in dieser Studie getan haben, gibt uns im Wesentlichen Zink-Ionen-Hybridgeräte, die eine fast um eine Größenordnung höhere Kapazität speichern können.“
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Small in der Arbeit mit dem Titel „High Mass-Loading Vanadium Oxide on 3D Printed Carbon Lattices for Zinc-Ion Supercapacitors“ veröffentlicht.
Ein von der UCLA geleitetes Forschungsteam entwickelte eine 3D-gedruckte Elektrode mit einer Hohlstruktur, die die Kapazität von hybriden Zink-Ionen-Energiespeichergeräten erweiterte. Bildnachweis: Maher El-Kady / UCLA.
Ein neues Design
Anstatt eine neue Batterietechnologie zu entwickeln, entschied sich das UCLA-Team, einen der Hauptbestandteile der Batterie neu zu gestalten. Die Forscher druckten zunächst ein leichtes Gitter auf einem Elegoo Mars 3 Pro Harzdrucker. Nach dem Druck wurde die Struktur bei hohen Temperaturen erhitzt, bis sie zu einem leitfähigen Kohlenstoffgerüst wurde. Dieses Kohlenstoffgitter dient als Elektrode der Batterie. Das Team beschichtete es dann mit Vanadiumoxid, dem Material, das Energie speichert und freisetzt. Da das Gitter Milliarden winziger Poren enthält, bietet es eine riesige innere Oberfläche und lässt gleichzeitig Raum für Zinkionen, sich in der Batterie zu bewegen.
„Die von uns verwendete Methode ermöglicht es uns, beliebige 3D-Gerüste Schicht für Schicht aufzubauen und ihre Mikrostruktur zu kontrollieren“, sagte der Co-Korrespondenzautor Ric Kaner, ein angesehene Professor für Chemie und Biochemie an der UCLA.