Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) haben mit Hilfe des 3D-Drucks eine nachhaltige neue Klasse von Superkondensatoren entwickelt. Die vollständig 3D-gedruckte Batterie besteht aus einem flexiblen Zellulose- und Glycerin-Substrat, das mit leitfähigem Kohlenstoff und graphithaltiger Tinte strukturiert ist, und kann Tausende von Ladezyklen überstehen, ohne ihre Kapazität zu verlieren. Dank ihrer biologisch abbaubaren Basis kann die neuartige Zelle nach Gebrauch auch kompostiert werden, was sie zu einem idealen Instrument zur Bewältigung des weltweiten Elektronikmüllproblems machen könnte. Nach Angaben der EMPA-Wissenschaftler hat der jüngste Boom bei elektronischen Wearables, Verpackungen und Internet of Things (IoT)-Anwendungen dazu geführt, dass die Zahl dieser Geräte weltweit auf 27 Milliarden gestiegen ist. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer und der Tatsache, dass sie in der Regel mit nicht erneuerbaren Lithium-Ionen- oder Alkalizellen betrieben werden, werden viele dieser Produkte letztendlich auf der Mülldeponie landen, was das weltweite Problem des "Elektroschrotts" noch verschärft. Die Ergebnisse der Forscher werden in ihrem Papier mit dem Titel "Fully 3D Printed and Disposable Paper Supercapacitors" detailliert beschrieben.
In dem Bemühen, umweltfreundlichere Energiespeicher zu entwickeln, haben Wissenschaftler daher begonnen, mit elektrischen Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) zu experimentieren. Diese schnell aufladbaren Superkondensatoren mit hoher Kapazität können zumindest teilweise aus biologisch abbaubaren Materialien hergestellt werden, was sie zu einem idealen Ersatz für herkömmliche Batterien machen könnte, die oft eine spezielle Entsorgung erfordern.
Obwohl in die Forschung und Entwicklung von EDLCs ein erheblicher Teil der Forschungsarbeit geflossen ist, lassen sich die verschiedenen Teile wie Elektroden und Stromsammler nur schwer in einem einzigen Fertigungsprozess herstellen. Darüber hinaus werden viele EDLC-Prototypen höchstens teilweise in 3D gedruckt, was eine zeitaufwändige und teure Montage oder Nachbearbeitung erforderlich macht, was sie für kommerzielle Unternehmungen unattraktiv macht.
Um die EDLC-Produktion zu rationalisieren und eine eigene umweltfreundliche Batterie zu entwickeln, wandte sich das EMPA-Team an den DIW-3D-Druck, mit dem es zwei Halbzellen herstellte, bevor es sie zusammenfaltete. In der Praxis bedeutete dies, dass zunächst die Substratbasis der Einheit gedruckt wurde und dann die Elektroden- und leitfähigen, mit Graphit durchsetzten Elektrolytschichten darauf aufgebracht wurden.
"Es klingt ganz einfach, war es aber gar nicht", sagt Xavier Aeby vom Labor für Zellulose- und Holzwerkstoffe der EMPA. "Es brauchte eine lange Reihe von Tests, bis alle Parameter stimmten, bis alle Komponenten zuverlässig aus dem Drucker flossen und der Kondensator funktionierte." Er fügte hinzu: "Als Forscher wollen wir nicht nur herumtüfteln, sondern auch verstehen, was im Inneren unserer Materialien passiert."
Als ihr Superkondensator-Prototyp fertig war, versuchten die Wissenschaftler, seine Ladungserhaltung zu testen, indem sie ihn auf 0,5 V aufluden und dann seine offene Oberflächenspannung maßen. Den Forschern zufolge verfügte ihr Gerät nach 150 Stunden noch über 30 % seiner Ladung, womit seine Leistung mit der modernster Superkondensatoren auf Kohlenstoffbasis vergleichbar ist.
Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass die Kapazität ihres Superkondensators nach der Herstellung zwei Wochen lang schwankte und sich dann einpendelte, während er später nach achtmonatiger Lagerung noch funktionstüchtig war. Als sie ihre Experimente beendet hatten und versuchten, ihn zu kompostieren, konnten sie im Laufe von neun Wochen etwa 50 % seiner Masse auflösen. Während der Tests war das Gerät des Teams schließlich in der Lage, einen 3-V-Wecker unter mechanischer Belastung mit Strom zu versorgen und bei stark schwankenden Temperaturen zu arbeiten. Bei weiterer Forschung und Entwicklung könnte das Gerät in größerem Umfang eingesetzt werden, um intelligente Geräte mit niedriger Spannung nachhaltig zu versorgen, z. B. in der Umweltüberwachung, bei E-Textilien oder im Gesundheitswesen.
Für weitere Informationen: https://3dprintingindustry.com/news/scientists-3d-print-biodegradable-battery-with-the-potential-to-slash-electronic-waste-198196/ [This is automatically translated from English]