Ist 3D-Druck die Zukunft des Batterie-Designs?
Die Technologie verspricht kleinere, leistungsfähigere Energiespeicher, die sich möglicherweise auch besser recyceln lassen.
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Akkupacks – hier für E-Roller.
(Bild: Photo by Henry & Co. on Unsplash)
- TR Online
Eine der Schlüsseltechnologien, die unseren Lebensstil im 21. Jahrhundert ermöglicht, sind die Lithium-Ionen-Akkus. Sie betreiben Mobiltelefone und Elektroautos, Laptops und Gesundheitsgeräte, Roboter und fernbediente Sensoren sowie vieles mehr. So war es auch nicht überraschend, als ihre Entwickler letztes Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Trotzdem werden etwa für die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne bessere Batterien benötigt.
Die Batterieleistung ist das Ergebnis zahlreicher verschiedener Faktoren. Entscheidend ist etwa die Energiedichte und auch die Fähigkeit, die Ladung ohne Verlust zu halten. Hinzu kommt die Wiederaufladbarkeit – nicht nur einmal, sondern tausende oder zehntausende Male – und natürlich Sicherheit.
Ohne 3D-Druck geht bald nichts mehr
Elektrochemiker wissen nur zu gut, wie heikel der Spagat ist, all diese Leistungen zusammenzubringen. Folglich sind Batteriehersteller vorsichtig, neue Ansätze auszuprobieren, um einen Leistungsabfall zu vermeiden. Deshalb sind Verbesserungen normalerweise inkrementell und winzig. Woher aber sollen dann die großen Verbesserungen kommen, die wir wahrscheinlich brauchen werden?
Vladimir Egorov und Kollegen von der Universität Cork in Irland glauben: Die Batterien der Zukunft werden per 3D-Druck hergestellt. Die Forscher haben verschiedene neue Drucktechniken für Batterien untersucht und sehen in ihnen die Möglichkeit, eine neue Generation kleinerer, leistungsfähigerer Geräte herzustellen.
Materialwissenschaftler haben begonnen, mit 3D-Drucken zu experimentieren, um elektronische Schaltkreise mit Polymertinten und einem Silberpolymer für Leiterbahnen zu drucken, damit kein Löten mehr erforderlich ist. Auf diese Weise können Leiterplatten nahezu jede Form annehmen und sogar Teil der Gerätestruktur sein. Und war bisher die Notwendigkeit, herkömmliche Batterien mit festen Größen und Formen zu produzieren, eine wesentliche Einschränkung, so wird der 3D-Druck von Batterien auch dies erleichtern. "Wenn sie gedruckt werden können, um sich aus ästhetischen Gründen sowie aus Gründen des Komforts oder der Funktionalität nahtlos in das Produktdesign zu integrieren, muss die Standardbatterie mit dem sperrigen und festen Formfaktor nicht bereits bei der Produktentwicklung berücksichtigt werden", sagen Egorov und Co.
Komplexe Strukturen printen
Doch 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 wie Kristalle geordnet und manchmal porös wie molekulare Schwämme sein. Darüber hinaus müssen sie chemisch immer gut charakterisiert sein.
Es ist eine Herausforderung, solche für den 3D-Druck geeigneten Materialien herzustellen, ob durch Extrusion eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit oder durch Polymerisation einer Flüssigkeit. Nach dem Drucken müssen diese Materialien ihre elektrischen Verbindungen aufrechterhalten, chemische Reaktionen zwischen den Komponenten genau regulieren und sicherstellen, dass die Batterien über viele Zyklen geladen und entladen werden können.
Vor allem aber müssen alle Batterien strenge Sicherheitsstandards erfüllen, bevor sie in Privathaushalten, Fahrzeugen, Flugzeugen usw. verwendet werden können. Laufen sie aus, können sie teure Schäden verursachen. Das größte Risiko bilden jedoch Batteriebrände. Potentiell müssen sich erst die Testkriterien ändern, damit neue, sich ständig ändernde Designs möglich werden.
Recycling muss mit ins Konzept
Und selbst wenn all diese Herausforderungen bewältigt werden können, taucht eine andere Frage auf: Werden 3D-gedruckte Batterien leistungsfähiger als bestehende Designs sein? Egorov und Co. geben einen umfassenden Überblick über die Materialien, Methoden und Herausforderungen, denen sich die Batterieindustrie beim Drucken der Kraftpakete der Zukunft gegenübersieht.
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Den Rezensenten fehlte dabei jedoch ein wichtiges Element des zukünftigen Batteriedesigns, bei dem der 3D-Druck eine wichtige Rolle spielen könnte: das Recycling, eine der größten und wichtigsten Herausforderungen für die Batterieindustrie. Die heutigen Batterien sind mit Absicht so konzipiert, dass sie nicht einfach auseinandergenommen werden können. Daher ist die Wiederverwendung der darin enthaltenen wertvollen Materialien fast unmöglich.
Deshalb ist Veränderung auf diesem Gebiet dringend nötig. Derzeit gehen Experten davon aus, dass Batterien von Anfang mit Blick auf das Recycling entwickelt werden müssen und dass dies eine völlig neue Denkweise seitens der Batterieentwickler erfordert. Die Flexibilität, die der 3D-Druck bietet, hat das Potenzial, diese dringend benötigte Revolution anzukurbeln und zu beschleunigen.
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