09.08.2022 - Tohoku University

Mikrotechnisch hergestellte Elektroden könnten die Herstellungskosten für Batterien senken

"Mit der zunehmenden Auflösung von 3D-Druckern könnten Natrium-Ionen-Batterien schließlich die Lithium-Ionen-Batterien übertreffen"

Neue, leicht herzustellende Hochleistungselektroden aus Kohlenstoffmikrogittern könnten bald zur Herstellung billigerer Batterien verwendet werden, die mit leicht verfügbaren Natriumionen betrieben werden. Der Ansatz wurde von Forschern der Tohoku-Universität und Kollegen in der Zeitschrift Small veröffentlicht.

Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Leistung und ihrer Fähigkeit, große Mengen an Energie zu speichern, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Smartphones bis hin zu Elektroautos. Die Herstellung dieser Batterien ist jedoch kostspielig, die Reserven des Metalls sind schnell erschöpft, und seine Gewinnung kann die Umwelt belasten. Wissenschaftler wollen die Herstellungskosten für Batterien senken und einen Weg finden, das Potenzial der weitaus häufiger verfügbaren Natriumionen zu nutzen.

Der Materialwissenschaftler Akira Kudo von der Tohoku University, der Doktorand Yuto Katsuyama von der University of California Los Angeles und seine Kollegen suchen nach Möglichkeiten, leistungsstarke und kostengünstige Batterien herzustellen, indem sie die Menge an aktiven Materialien, die zur Herstellung einer Batterie verwendet werden, in einer einzigen Batteriezelle erhöhen. Dadurch würden die inaktiven Materialien, die für die Verbindung mehrerer Zellen verwendet werden, reduziert. Dies erfordert jedoch die Herstellung dickerer Elektroden, die die Ionenbewegung - und damit die elektrische Ladung - innerhalb der Batterie einschränken würden.

Kudo und sein Team haben dieses Problem durch die Entwicklung eines Ansatzes angegangen, mit dem mikrostrukturierte, hochleistungsfähige negativ geladene (Anoden-)Elektroden hergestellt werden können.

Bei diesem Ansatz werden mit Hilfe der 3D-Stereolithografie Mikrogitterstrukturen aus Harz gedruckt. Die Mikrogitter werden dann durch Verkohlung in einem Pyrolyseprozess geschrumpft. Die so entstandenen Hartkohlenstoffanoden ermöglichen einen schnellen Transport von energieerzeugenden Ionen. Außerdem verbesserte sich die Leistung, je feiner das Team die Gitterstruktur machte. Mit der zunehmenden Auflösung von 3D-Druckern könnten Natrium-Ionen-Batterien schließlich die Lithium-Ionen-Batterien übertreffen, sagt Kudo.

Als Nächstes will das Team denselben Ansatz zur Herstellung positiv geladener (Kathoden-)Elektroden verwenden. Ziel ist es, diese fein strukturierten Elektroden für die Herstellung leistungsstarker und kostengünstiger Natriumionenbatterien zu verwenden.

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