Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) haben einen bedeutenden Durchbruch in der Energiespeichertechnologie erzielt. Ein Team unter der Leitung von Ric Kaner und Maher El-Kady entwickelte eine Zink-Ionen-Hybridbatterie mit einer im 3D-Druckverfahren hergestellten Elektrode, die siebenmal mehr Energie speichern kann als vergleichbare aktuelle Systeme.
Die im Fachjournal „Small“ veröffentlichte Studie wurde von Sophia Uemura geleitet, die kürzlich an der UCLA promovierte. Die zentrale Innovation besteht in einem 3D-Druckverfahren mittels UV-Laser, mit dem eine poröse Kohlenstoffelektrode mit Wabenstruktur erzeugt wurde. Diese Elektrode wurde anschließend mit Vanadiumoxid beschichtet – einem Material, das Ladung besonders effizient speichert. Die Oberfläche eines einzigen Gramms dieses Verbundstoffs entspricht etwa zehn Tennisplätzen, was eine gigantische Interaktionsfläche für elektrochemische Reaktionen bietet.
Das Gerät fungiert als Hybrid und kombiniert zwei Arten der Energiespeicherung: An einer Elektrode erfolgt die Interkalation von Zink-Ionen wie bei herkömmlichen Batterien, während an der anderen Ladung in einer elektrischen Doppelschicht wie bei Superkondensatoren gespeichert wird. Diese Kombination ermöglicht eine hohe Energiedichte, ohne die Lade- und Entladegeschwindigkeit zu beeinträchtigen. Nach 1.500 Ladezyklen in einer speziell entwickelten, 3D-gedruckten Testzelle behielten die Standard-Kohlenstoffelektroden 98 % ihrer Kapazität bei, während sie in herkömmlichen offenen Versuchsaufbauten bereits nach weniger als hundert Zyklen ihre Funktionsfähigkeit verlieren.
Die voluminöse, poröse Architektur der Elektrode löst ein kritisches Problem, da sie die reaktionsfähige Oberfläche vergrößert und die Unterbringung von deutlich mehr aktivem Vanadiumoxid ermöglicht, ohne die Elektrode dicker machen zu müssen. Zudem entwickelten die Forscher eine innovative, 3D-gedruckte Testzelle mit versiegeltem Deckel und festem Elektrodenabstand, was reproduzierbarere und verlässlichere Ergebnisse liefert als die in vielen Laboren übliche, rudimentäre Methode, den Elektrolyten einfach in ein offenes Becherglas zu füllen.
Obwohl sich die Ergebnisse noch im Laborstadium befinden und vollständige Batteriemodule noch ausstehen, ist das Potenzial der Entdeckung enorm. Zink ist etwa hundertmal häufiger vorhanden als Lithium, wesentlich kostengünstiger sowie leichter zu gewinnen und zu recyceln, was die Technologie besonders attraktiv für die stationäre Speicherung von Strom aus Sonnen- und Windkraftanlagen macht. Für eine breite Netzintegration müssen jedoch noch praktische und wirtschaftliche Hürden überwunden werden, wie die Skalierbarkeit des 3D-Drucks, die langfristige Materialstabilität unter realen Bedingungen einschließlich Temperaturschwankungen sowie die Senkung der Produktionskosten pro Kilowattstunde.
Die Entdeckung verdeutlicht, wie die Kombination aus fortschrittlichen Fertigungstechnologien, Materialwissenschaft und elektrochemischem Design die Leistungsmerkmale von Energiespeichern grundlegend verbessern kann. Dies ist einer von vielen Schritten, die dem Übergang vom Labordurchbruch zur industriellen Umsetzung und zum flächendeckenden Netzausbau vorausgehen müssen.
