Forschung -

3D-gedruckter Elektrolyt für ­Lithiumionenbatterien

Forschern der University of Illinois at Chicago (UIC) ist es gelungen, eine komplette, wenn auch experimentelle Lithiumionenbatterie mit einem festen Elektrolyten zu drucken.

Während geeignete Elektroden bereits im 3D-Drucker hergestellt werden, ist es nach Angaben der Forscher des College of Engineering an der UIC das erste Mal, dass ein stabiler, aber flexibler Festkörper­elektrolyt mit einem Hochtemperatur-Extrusionsdruckverfahren gedruckt wurde.

Die Serienproduktion von Lithiumionenbatterien ist in der Regel ein aufwendiger und teurer Prozess. Die Elektroden und der Elektrolyt, die üblicherweise separat hergestellt werden, müssen zusammengeführt und in einem Gehäuse untergebracht werden. Dafür ist eine umfangreiche Präparation der Gehäuse mit Beschichtungen und Lösungsmitteln und eine sorgfältige Nachbehandlung notwendig sowie eine kontrollierte Umgebung, um Verunreinigungen zu vermeiden. In einer herkömmlichen Produktion können auch die Batterie­größen nicht einfach gewechselt werden; vielmehr ist eine Zeit raubende Umrüstung der Maschinen nötig.

Der 3D-Druck von Elektroden und Elektrolyten eröffnet nun eine Möglichkeit, Batterien wesentlich schneller und kostengünstiger herzustellen. Das Problem: Wird ein Elektrolyt direkt in eine 3D-gedruckte Batterie eingefügt, würde er aufgrund von Verdampfung schrumpfen und von den Elektroden weggezogen. Dies könnte einen Kurzschluss der Batterie verursachen. Außerdem sind Beschichtungen, die einen guten Kontakt des Elektrolyten mit den Gehäusen und Elektroden gewährleisten, ebenfalls schwierig in eine 3D-gedruckte Batterie einzubinden.

Um diesen Schwierigkeiten beizukommen haben die Forscher um die Professoren Reza Shahbazian-Yassar und Yayue Pan nun einen 3D-Drucker entwickelt, der bei erhöhter Temperatur arbeitet. Anders als beim herkömmlichen 3D-Extrusionsdruck, der bei Raumtemperatur stattfindet, extrudiert er Materialien bei rund 120 °C. „Die hohe Temperatur verhindert ein Schrumpfen nach der Produktion“, kommentiert Doktorand Meng Cheng. „Unsere Technik verbessert die Effizienz der Vorbereitung des Elektrolyten und dessen Integration in die Batterie erheblich.“ Die experi­mentell 3D-gedruckten Batterien weisen eine höhere Lade-/Entladekapazität auf als Batterien, deren Elek­trolyt mit traditionellen ­Methoden hergestellt wurde.

Die Festkörperelektrolyttinte besteht aus einer Polymerbasis, die Titanoxidpartikel enthält, die sie sowohl flexibel als auch funktionell machen. Die Tinte kann während des Druckvorgangs direkt in der Batterie deponiert werden.

Meng Cheng et al.: Elevated-Temperature 3D Printing of Hybrid Solid-State Electrolyte for Li-Ion Batteries, Adv. Mater. 2018, 30, 1800615

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