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Mit Hilfe von Kohlenstoff-Mikrogittern aus dem 3D Drucker könnte die Fertigung von Hochleistungselektroden für Batterien künftig entscheidend kostengünstiger gelingen. Einen entsprechenden Weg eröffnete in diesen Tagen ein japanisch-US-amerikanisches Forscherteam. Das Ziel sind preisgünstige Batterien, welche mit Natrium- statt, wie bisher der Fall, mit Lithium-Ionen betrieben werden.
Hohe Kosten für leistungsfähige Batterien als Herausforderung
Wegen ihrer hohen Leistung und ihrer Fähigkeit, grössere Mengen an Energie zu speichern, werden Lithium-Ionen-Batterien in einer stetig wachsenden Zahl von Geräten eingesetzt, so etwa von Smartphones bis hin zu Elektroautos. Leider erweist sich die Herstellung dieser Batterien als sehr aufwendig. Zudem sind die Ressourcen an Lithium endlich, auch belastet die Gewinnung dieses Metalls die Umwelt.
Seit geraumer Zeit suchen Wissenschaftler daher nach Wegen, die Kosten für die Herstellung dieser Batterien zu senken und zugleich, das, weiter verbreitete Natrium anstelle des kostbaren Lithiums zu verwenden.
Ein Ausweg: Die Erhöhung der aktiven Materialien
Akira Kudo von der Tohoku University, der Doktorand Yuto Katsuyama von der University of California Los Angeles und dessen Kollegen fanden für dieses Problem folgende Lösung: Eine Erhöhung der Menge der zur Herstellung einer Batterie notwendigen aktiven Materialien. Dadurch lässt sich nämlich die Zahl der inaktiven Materialien, welche für die Verbindung mehrerer Zellen notwendig sind, reduzieren. Dies setzt jedoch die Herstellung dickerer Elektroden voraus, welche allerdings die Ionenbewegung, und damit auch die elektrische Ladung, innerhalb der Batterie einschränken würden.
Das Team um Akira Kudo umging diese Schwierigkeit, indem es einen Ansatz entwickelte, mit welchen mikrostrukturierte, hochleistungsfähige negativ geladene (Anoden-)Elektroden gefertigt werden können.
Stereolithografie ermöglicht Mikrogitterstrukturen
3D Druck, genauer gesagt Stereolithografie ermöglicht nun Mikrogitterstrukturen aus Harz zu drucken, ein entscheidender Baustein des Anoden-Ansatzes. Durch Verkohlung werden diese Mikrogitter nun in einem Pyrolyse-Prozess geschrumpft. Die hierbei entstehenden Hartkohlenstoff-Anoden ermöglichen einen schnellen Transport von energieerzeugenden Ionen.
Darüber hinaus konnte das Forscherteam die Leistung verbessern, in dem Maße, in dem sie die Gitterstruktur immer feiner machten. Dank der hohen Auflösung moderner Stereolithografie-Drucker gelang es ihnen dabei Natrium-Ionen-Batterien zu bauen, welche die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien übertreffen.
Nächster Schritt: Katoden
Als nächsten Schritt ist geplant, den gleichen Ansatz zur Gewinnung positiv geladener, also Kathoden-Elektroden verwenden. Am Ende geht es selbstverständlich darum, komplette Natriumionen-Batterien auf diesem Wege zu fertigen.
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