Batterie ist ein Gerät, das Energie speichert, um sie später durch chemische Reaktionen in Strom umzuwandeln. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) dominieren aufgrund ihrer insgesamt überlegenen Leistung in Bezug auf Energiedichte und Energieeffizienz den Markt für Unterhaltungselektronik, Wearables und Automobilanwendungen. Die globale Li-Ionen-Batterieindustrie weist ein spektakuläres kontinuierliches Wachstum auf und wird voraussichtlich in einem Jahrzehnt die aktuellen Rekorde von 120 GWh (24 Milliarden Euro) mit einem zehnfachen Anstieg übertreffen.¹ Die technologische Entwicklung hinkt jedoch dieser steigenden Nachfrage hinterher. Obwohl auf der Aktivmaterialseite ein enormer Fortschritt bei den Eigenschaften der LIBs erzielt wurde, die kürzlich mit einem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden, wächst die Leistung der LIBs jedes Jahr nur schrittweise um einige Prozent.² Dies behindert weitere technologische Fortschritt in allen Bereichen, in denen Batterien mit höherer Leistung, kürzeren Ladezeiten und größeren Kapazitäten benötigt werden.

Der Betrieb von LIBs basiert auf dem Ein- und Auslagern von Lithium an den Elektroden und dem Transport von Lithiumionen von einer Anode zu einer Kathode. Der Transport von Lithium erfolgt durch einen Elektrolyten, der ein leitfähiges Medium für Li+-Ionen darstellt, während Elektronen durch einen externen Kreislauf fließen. In einer typischen Konfiguration (siehe Abbildung 1) besteht LIB aus metallischen Stromkollektoren, die mit dem aktiven Elektrodenmaterial beschichtet sind und zur reversiblen Interkalation und Deinterkalation von Lithium fähig sind, wie Lithiummetalloxiden, LiFePO₄ und anderen an der Kathode und Graphit, Lithiumtitanat , Übergangsmetalle, die mit Lithium und anderen Materialien an der Anode Legierungen bilden. Die Elektroden sind normalerweise durch eine poröse Polymermembran getrennt, die einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden verhindert.

Das aktuelle Paradigma in der Li-Ionen-Technologie basiert auf der zweidimensionalen planaren Anordnung von Batteriezellen. Der große Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass es unmöglich ist, gleichzeitig eine hohe Ausgangsleistung (Strom) und eine hohe Energiedichte (Kapazität) der Batterie zu erreichen. Typischerweise erfordert die Erhöhung der Energiedichte eine Vergrößerung der Dicke der aktiven Elektrodenschichten, was auf Kosten einer verringerten Leistung aufgrund langsamerer Transportraten von Ionen durch dickere Filme und höherer ohmscher Widerstände während des Batteriebetriebs, verbunden mit einer geringen Leitfähigkeit von Kathodenmaterialien und auf chemische Gradienten, die bei der Umverteilung ionischer Spezies entstehen. Da während des Ladens ähnliche Probleme (und einige andere) auftreten, benötigen Batterien relativ lange Ladezeiten, die in die Nähe von Dutzenden von Minuten und Stunden gehen, da höhere Raten normalerweise zu einem Kapazitätsverlust führen. Eine typische Zeit zum Erreichen von 80 % der Kapazität der Tesla-Autobatterie beträgt beispielsweise etwa 30 Minuten,³ das gleiche gilt für das iPhone mit seinem 50 %-Ladezustand.⁴ Die Nachteile von LIBs in Bezug auf lange Ladezeiten machen eine Suche erforderlich Materialien mit höherer Energiedichte, um eine höhere Kapazität zu erreichen, die es ermöglicht, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erweitern und die Betriebszeiten elektronischer Geräte zu verbessern, die derzeit begrenzt sind.

Im Gegensatz zum Mainstream in der Batterieforschung arbeiten wir an einem unkonventionellen Ansatz mit dem Ziel, einen großen Sprung bei den Laderaten zu machen (um die Stromversorgung innerhalb von Sekunden wiederherzustellen) und LIBs einzuführen, die in der Lage sind, hohe Ausgangsströme zu liefern, ohne andere Leistungsmerkmale zu beeinträchtigen und mit die Verwendung bereits etablierter Elektrodenmaterialien. Dies hat das Potenzial, das Paradigma nicht nur in der Batterietechnik zu ändern, sondern auch eine neue Zukunft für mobile Elektronik und Elektrofahrzeuge zu schaffen.

Während es mit dem Standarddesign von Batteriezellen unmöglich ist, eine so bahnbrechende Verbesserung zu erreichen, werden in diesem Projekt Konzepte der additiven Fertigung (AM) zur Herstellung von eng beabstandeten Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis verwendet, die die Anode und die Kathode bilden. Aus einfachen geometrischen Berechnungen kann man somit eine 698- bis 806-fache Vergrößerung der Elektrodenoberfläche erwarten. Die Vorteile des 3D-Designs übersetzen sich sofort in: (i) höherer Gesamtstrom, ermöglicht durch eine größere Oberfläche, was eine äquivalente Leistungssteigerung liefert; (ii) schnellerer Ionentransport aufgrund des nanoskaligen Abstands zwischen den Elektroden und auch schnelleres Laden, das durch eine sehr niedrige Stromdichte ermöglicht wird, wodurch fast drei Größenordnungen höhere Laderaten ohne nachteilige Auswirkungen auf die Kapazität ermöglicht werden; (iii) verbesserte Wärmeableitung und reduzierte Erwärmung (niedrige ohmsche Verluste). Um diesen Fortschritt zu veranschaulichen, kann man sich vorstellen, einen Handy-Akku in 2,6 Sekunden (!) auf seine 50% Kapazität aufzuladen, was fast augenblicklich ist.

Der intrinsische Vorteil des 3D-Batterielayouts ist die nanoskalige Trennung zwischen den Batterieelektroden und die hohe Gesamtoberfläche, die andere Leistungsmerkmale nicht beeinträchtigt. Um zu zeigen, dass dieses Design die gravimetrische Kapazität nicht beeinflusst, kann man Batterien mit typischen Hochleistungskathodenmaterialien wie LiFePO4 (theoretische spezifische Kapazität 170 Ah kg^-1) und Li₄Ti₅O₁₂ (175 Ah kg-¹) betrachten. Vergleich einer 3D-Batterie mit Säulen auf einem quadratischen Raster, die FePO₄ in Form eines dünnen Films (45 nm) enthält, der den Eisensäulenkern bedeckt, mit der „flachen“ Batterie gleicher Abmessungen (Gesamtzelldicke 100 μm, mit Kathode und der Anode von 40 μm) lässt vermuten, dass die gravimetrische Kapazität nahezu unbeeinflusst bleibt (84,8 vs. 88,8 Ah kg^-1), obwohl eine gewisse Verringerung der volumetrischen Eigenschaften (A h L^-1) erwartet wird.

Während sich die aktuellen Forschungsanstrengungen weltweit fast ausschließlich auf die Leistungsfähigkeit von Materialien konzentrieren, erforscht unsere Gruppe neue 3D-Druckansätze, um einen Durchbruch in der Batterietechnologie zu erzielen.

Literaturhinweise

1.         Tsiropoulos, I.; Tarvydas, D.; Lebedeva, N. Li-ion Batteries for Mobility and Stationary Storage Applications. JRC Science for Policy Report 2018.

2.         Yoshino, A. Development of the Lithium-Ion Battery and Recent Technological Trends. In Lithium-Ion Batteries; Pistoia, G., Ed.; Elsevier: Amsterdam, 2014; pp 1-20.

3.         Tesla Cars website. www.tesla.com/supercharger (accessed 07 October 2019).

4.         Apple website. support.apple.com/en-us/HT208137 (accessed 07 October 2019).