3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Wände Ihres Hauses, die Pfeiler einer Brücke oder der Asphalt einer Straße mehr tun könnten, als nur Gewicht zu tragen. Sie könnten auch Elektrizität speichern und so als riesige, stille Batterien fungieren, die Lichter, Sensoren oder sogar das Gebäude selbst mit Energie versorgen. Diese Idee, bekannt als strukturelle Energiespeicherung, ist seit langem ein Traum für Ingeniere. Die Herausforderung bestand immer darin, ein Material zu finden, das stark genug zum Bauen, aber gleichzeitig in der Lage ist, eine Ladung wie eine Batterie zu halten. Beton und Zement sind die am häufigsten verwendeten Baumaterialien der Erde; sie sind billig, feuerbeständig und unglaublich langlebig. Sie sind jedoch von Natur aus schlecht darin, Elektrizität zu leiten, was für die Funktion einer Batterie essenziell ist. Traditionelle Batterien verlassen sich auf empfindliche chemische Mischungen, die durch Kunststoffbinder zusammengehalten werden, welche jedoch zu zerbrechlich sind, um als tragende Balken zu dienen. Jahrelang haben Wissenschaftler versucht, Zement in eine Batterie zu verwandeln, doch die Ergebnisse waren oft schwach, speicherten nur sehr wenig Energie oder versagten nach nur wenigen Anwendungen. Das Ziel war es, ein Material zu schaffen, das sowohl ein felsenfester Baustein als auch ein Hochleistungs-Energiespeicher ist.

Ein Forschungsteam hat nun einen bedeutenden Schritt in Richtung dieser Realität gemacht, indem es erfolgreich eine Batterie aus Zement mittels 3D-Druck hergestellt hat. Anstatt zu versuchen, ein Standard-Batteriedesign in Beton zu erzwingen, entwickelten sie eine neue Methode, die den natürlichen Aushärtungsprozess von Zement nutzt, um die interne Struktur der Batterie aufzubauen. Sie kreierten eine spezielle Tinte aus Wasser, Zement und zwei Arten von Batteriematerialien: einem, das die positive Ladung speichert, und einem, das die negative Ladung speichert. Zudem fügten sie ein Netzwerk aus winzigen Kohlenstoffpartikeln hinzu, um den Fluss von Elektrizität durch die Mischung zu unterstützen. Wenn diese Tinte aus einem 3D-Drucker gepresst wird, bildet sie eine kontinuierliche Form. Während der Zement trocknet und hart wird, durchläuft er eine chemische Reaktion namens Hydratation, die ein mineralisches Skelett schafft, welches alles zusammenverriegelt. Dieses Skelett liefert die Festigkeit, während das Kohlenstoffnetzwerk sicherstellt, dass die Elektrizität weiterhin frei fließen kann. Das Ergebnis ist ein festes, gedrucktes Objekt, das wie ein Stück Baumaterial aussieht und sich auch so anfühlt, aber als wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie funktioniert.

Die Forscher testeten dieses neue Material, indem sie sowohl die positive als auch die negative Seite einer Batterie druckten und diese dann zu einer vollständigen Zelle verbanden. Sie fanden heraus, dass die Batterie bemerkenswert gut funktionierte. Bei einem Test mit langsamer Ladegeschwindigkeit konnte die positive Seite 157,5 Einheiten Energie pro Gramm speichern und die negative Seite 172,3 Einheiten. Diese Zahlen sind vergleichbar mit vielen handelsüblichen Standardbatterien, was beweist, dass der Zement die chemische Aktivität der Batteriematerialien nicht beeinträchtigt hat. Noch wichtiger war, dass die Batterie unglaublich robust war. Nach zehntausend Lade- und Entladezyklen hielt die vollständige Batterie immer noch 9ellen 98,5 Prozent ihrer ursprünglichen Energieträgerkapazität. Diese Art der Langlebigkeit ist für Batterien selten, insbesondere für solche, die aus solch einem rauen, porösen Material bestehen. Die Studie zeigte, dass das Zementgerüst die Batteriematerialien tatsächlich schützte und sie stabil hielt, selbst während sie sich während des Gebrauchs ausdehnten und zusammenzogen.

Über das bloße Speichern einer Ladung hinaus demonstrierte das Material die Sicherheit und Vielseitigkeit, die für den realen Einsatz im Bauwesen erforderlich sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die entflammbare flüssige Chemikalien und Kunststoffteile verwenden, besteht diese zementbasierte Batterie aus nicht brennbaren Mineralien. In einem direkten Test hielten die Forscher eine Flamme zehn Minuten lang an die gedruckte Batterie. Das Objekt behielt seine Form bei, schmolz nicht und fing nicht Feuer, was eine Hitzebeständigkeit zeigt, die kunststoffbasierte Batterien nicht erreichen können. Der 3D-Druckprozess ermöglichte es den Forschern zudem, komplexe Formen und dicke Schichten zu erzeugen, ohne dass die Batterie versagte. Sie druckten Elektroden mit unterschiedlichen Dicken, und der Strom floss durch die dicken Schichten genauso gut wie durch die dünnen. Dies deutet darauf hin, dass diese Batterien in großen, maßgeschneiderten Formen gedruckt werden könnten, um exakt dort eingesetzt zu werden, wo sie in einem Gebäude benötigt werden, anstatt in standardisierte rechteckige Kästen gezwungen zu werden.

Die Studie untersuchte auch, warum dieser Ansatz dort erfolgreich war, wo andere gescheitert waren. Frühere Versuche, Zementbatterien herzustellen, scheiterten oft, weil der Zement die Bewegung der Elektrizität blockierte oder die empfindlichen Batteriematerialien zersetzte. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch eine sorgfältige Abstimmung der Mischung aus Zement, Batteriematerialien und Kohlenstoff ein Netzwerk schaffen konnten, in dem der Zement die Stabilität lieferte und der Kohlenstoff die elektrische Autobahn bildete. Sie verglichen ihre zementbasierte Tinte mit anderen Mischungen, die andere Bindemittel wie Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid verwendeten, und stellten fest, dass die Zementversion am besten abschnitt. Der Zement hielt nicht nur die Struktur zusammen, sondern schien auch den Fluss der Ionen – der winzigen geladenen Teilchen, die Energie im Inneren der Batterie transportieren – zu verbessern. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften bedeutet, dass das Material nicht nur ein passiver Behälter für Energie ist, sondern ein aktiver, integrierter Teil des Energiesystems.

Diese Arbeit weist den Weg für die Zukunft des Bauwesens. Sie geht über die Vorstellung hinaus, lediglich eine Standardbatterie in eine Wand einzubetten, und schlägt statatt vor, dass die Wand selbst die Batterie sein könnte. Die Fähigkeit, diese Strukturen mittels 3D-Druck herzustellen, bedeutet, dass Architekten und Ingenieure Gebäude mit integrierter Energiespeicherung entwerfen könnten, die exakt auf die spezifische Form und die Bedürfnisse der Struktur zugeschnitten ist. Die verwendeten Materialien sind kostengünstig und weit verbreitet, und der Prozess ist skalierbar, was bedeutet, dass er verwendet werden kann, um große Mengen dieser energiespeichernden Komponenten herzustellen. Obwohl sich die Technologie noch in der Forschungsphase befindet, zeigen die Ergebnisse, dass es möglich ist, die Welten des Bauwesens und der Energiespeicherung zu verschmelzen, ohne die Sicherheit, die Festigkeit oder die Leistung zu opfern. Die zementbasierte Batterie ist ein Beweis dafür, dass die Materialien, mit denen wir unsere Welt bauen, diese auch mit Energie versorgen können.