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

Stel je een wereld voor waarin de muren van je huis, de pilaren van een brug of het wegdek van een straat meer kunnen doen dan alleen gewicht dragen. Ze zouden ook elektriciteit kunnen opslaan, als reusachtige, stille batterijen die lichten, sensoren of zelfs het gebouw zelf van stroom voorzien. Dit idee, bekend als structurele energieopslag, is al lang een droom voor ingenieurs. De uitdaging is altijd geweest het vinden van een materiaal dat sterk genoeg is om mee te bouwen, maar ook in staat is om een lading vast te houden zoals een batterij. Beton en cement zijn de meest gebruikte bouwmaterialen op aarde; ze zijn goedkoop, brandwerend en ongelooflijk duurzaam. Echter, ze zijn van nature slecht in het geleiden van elektriciteit, wat essentieel is voor het functioneren van een batterij. Traditionele batterijen vertrouwen op delicate chemische mengsels die bij elkaar worden gehouden door plastic bindmiddelen, die te fragiel zijn om als structurele balken te dienen. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd om cement in een batterij te veranderen, maar de resultaten waren vaak zwak, sloegen zeer weinig energie op of faalden na slechts een paar keer gebruiken. Het doel was om een materiaal te creëren dat zowel een rotsvast bouwblok als een hoogwaardig energieopslagapparaat is.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap gezet richting deze realiteit door succesvol een batterij uit cement te 3D-printen. In plaats van te proberen een standaard batterijontwerp in beton te dwingen, ontwikkelden zij een nieuwe methode die gebruikmaakt van het natuurlijke uithardingsproces van cement om de interne structuur van de batterij op te bouwen. Ze creëerden een speciale inkt gemaakt van water, cement en twee soorten batterijmaterialen: één die een positieve lading opslaat en een andere die een negatieve lading opslaat. Ze voegden ook een netwerk van minuscule koolstofdeeltjes toe om de elektriciteit door het mengsel te laten bewegen. Wanneer deze inkt uit een 3D-printer wordt geperst, vormt het een doorlopende vorm. Terwijl het cement droogt en uithardt, ondergaat het een chemische reactie genaamd hydratatie, wat een mineraal skelet creëert dat alles vergrendelt. Dit skelet zorgt voor de sterkte, terwijl het koolstofnetwerk ervoor zorgt dat de elektriciteit nog steeds vrij kan stromen. Het resultaat is een solide, geprint object dat eruitziet en aanvoelt als een stuk constructiemateriaal, maar functioneert als een oplaadbare lithium-ionbatterij.

De onderzoekers testten dit nieuwe materiaal door zowel de positieve als de negatieve zijden van een batterij te printen en deze vervolgens te verbinden om een volledige cel te vormen. Ze ontdekten dat de batterij opmerkelijk goed werkte. Bij een test met een lage laadsnelheid kon de positieve zijde 157,5 eenheden energie per gram opslaan, en de negatieve zijde kon 172,3 eenheden opslaan. Deze cijfers zijn vergelijkbaar met veel standaard commerciële batterijen, wat bewijst dat het cement de chemische activiteit van de batterijmaterialen niet heeft verpest. Belangrijker nog, de batterij bleek ongelooflijk robuust te zijn. Na tien duizend keer laden en ontladen hield de volledige batterij nog steeds 98,5 procent van zijn oorspronkelijke energiecapaciteit vast. Dit niveau van duurzaamheid is zeldzaam voor batterijen, vooral die gemaakt van zo'n ruw, poreus materiaal. De studie toonde aan dat het cementframe de batterijmaterialen feitelijk hielp te beschermen, waardoor ze stabiel bleven, zelfs terwijl ze uitzetten en krimpen tijdens het gebruik.

Naast het vasthouden van een lading, demonstreerde het materiaal de veiligheid en veelzijdigheid die nodig zijn voor de echte wereld in de bouw. In tegen tegenstelling tot traditionele batterijen die brandbare vloeibare chemicaliën en plastic onderdelen gebruiken, is deze cementgebaseerde batterij gemaakt van niet-brandbare mineralen. In een directe test hielden de onderzoekers een vlam tegen de geprinte batterij gedurende tien minuten. Het object behield zijn vorm, smolt niet en vatte geen brand, wat een niveau van hittebestendigheid toont dat plastic-gebaseerde batterijen niet kunnen evenaren. Het 3D-printproces maakte het de onderzoekers ook mogelijk om complexe vormen en dikke lagen te maken zonder dat de batterij faalde. Ze printten elektroden met verschillende diktes, en de elektriciteit stroomde net zo goed door de dikke lagen als door de dunne lagen. Dit suggereert dat deze batterijen in grote, op maat gemaakte vormen geprint kunnen worden om precies te passen waar ze nodig zijn in een gebouw, in plaats van te worden gedwongen in standaard rechthoekige dozen.

De studie adresseerde ook waarom deze aanpak werkt waar anderen moeite hadden. Eerdere pogingen om cementbatterijen te maken, mislukten vaak omdat het cement de beweging van elektriciteit zou blokkeren of de delicate batterijchemicaliën zou afbreken. De onderzoekers ontdekten dat door de mix van cement, batterijmaterialen en koolstof zorgvuldig te balanceren, zij een netwerk konden creëren waar het cement de sterkte leverde en de koolstof de elektrische snelweg vormde. Ze vergeleken hun cementgebaseerde inkt met andere mengsels die gebruikmaakten van verschillende bindmiddelen, zoals aluminiumoxide of siliciumdioxide, en vonden dat de cementversie het beste presteerde. Het cement hield niet alleen de structuur bij elkaar, maar leek ook de stroom van ionen te verbeteren, de minuscule geladen deeltjes die energie binnen de batterij dragen. Deze unieke combinatie van eigenschappen betekent dat het materiaal niet alleen een passieve container voor energie is, maar een actief, geïntegreerd onderdeel van het energiesysteem.

Dit werk suggereert een nieuw pad voor de toekomst van de bouw. Het gaat verder dan het idee om simpelweg een standaardbatterij in een muur in te bedden en stelt in plaats daarvan voor dat de muur zelf de batterij zou kunnen zijn. Het vermogen om deze structuren te 3D-printen betekent dat architecten en ingenieurs gebouwen kunnen ontwerpen met ingebouwde energieopslag, aangepast aan de specifieke vorm en behoeften van de structuur. De gebruikte materialen zijn goedkoop en breed beschikbaar, en het proces is schaalbaar, wat betekent dat het gebruikt kan worden om grote hoeveelheden van deze energieopslagcomponenten te maken. Hoewel de technologie zich nog in de onderzoeksfase bevindt, tonen de resultaten aan dat het mogelijk is om de werelden van constructie en energieopslag samen te voegen zonder in te boeten op veiligheid, sterkte of prestaties. De cementgebaseerde batterij staat als een bewijs van concept dat de materialen die we gebruiken om onze wereld te bouwen, deze ook kunnen voeden.