Nachhaltige Polymere für 3D-gedruckte Batterien
Gegründet wurde das Start-up-Unternehmen POLYKEY 2020 als Spin-out der Universität des Baskenlandes. Es spezialisiert sich nicht nur auf Kunststoffrecycling durch Depolymerisation, sondern schlägt auch eine neue Generation von Festkörperbatterien vor, die aus nachhaltigen Polymeren hergestellt werden. Das Versprechen ist verlockend: Die neuen Batterien sind leichter, haben eine bessere Leistung bei hohen Temperaturen und sind nicht entflammbar. Die Forschungsaktivität begann im Jahr 2012 mit dem Projekt iPES im Rahmen des Starting Grants des Europäischen Forschungsrates (ERC). Diesem folgte vor zwei Jahren das Konzeptnachweis-Projekt iPES-3DBat (Innovative Polymeric Batteries by 3D Printing) des ERC. Das Projektteam unter der Leitung von David Mecerreyes beschäftigte sich mit den Leistungsbeschränkungen der derzeitigen Batterien hinsichtlich Form, Steifigkeit und Kosten und entwickelte zunächst eine Reihe neuer Polymermaterialien. Dann machte es sich mit iPES-3DBat daran, Polymerbatterien mit einem schnellen und kostengünstigen 3D-Druckverfahren herzustellen. „Vollpolymerbatterien bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien“, meint Mecerreyes, Vizedirektor bei Polymat – dem baskischen Zentrum für makromolekulares Design und Engineering an der Universität des Baskenlandes. „Erstens enthalten sie keine giftigen und spärlich vorkommenden anorganischen Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel oder Mangan. Außerdem bieten Vollpolymerbatterien weitere Vorteile, beispielsweise die Verwendung erneuerbarer biobasierter Materialien, Flexibilität, Recyclingfähigkeit und die Möglichkeit, für ihre Herstellung additive Herstellungsmethoden wie den 3D-Druck zu verwenden. Unser Traum war es, mit iPES-3DBat Materialien zu entwickeln, mit denen die Menschen zuhause ihre eigene Batterie drucken können.“
Von Biopolymeren zu Niedrigenergie-Anwendungen
Während Batteriezellen herkömmlicherweise eine planare Struktur besitzen, würden 3D-druckbare Tinten die Anfertigung verschiedener Formen ermöglichen. Sie würden auch eine höhere Leistungs- und Energiedichte aufgrund der größeren Oberfläche der Elektroden bieten. Zur Herstellung dieser Tinten verwendete das Projekt iPES-3DBat neuartige Redoxpolymere, die zuvor im Rahmen von iPES entwickelt worden waren. Dabei fanden Biopolymere Anwendung, die in der Natur reichlich vorhanden sind, wie z. B. Lignin, was auch den Recyclingprozess wesentlich vereinfacht. Neben ihrer Optimierung für den 3D-Druck haben die Biopolymere vor allem drei Dinge gemeinsam. Sie sind umweltverträglich, frei von giftigen Chemikalien und werden aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt. „Der 3D-Druckteil war nicht einfach. Wir mussten zwischen drei und fünf verschiedene Schichten drucken (leitende Schicht, Anode, Kathode und Elektrolyt) und sicherstellen, dass sie alle reibungslos zusammenarbeiten“, merkt Mecerreyes an. Das Projekt demonstrierte erfolgreich mehrere 3D-Polymerbatterien, wenn diese auch noch nicht mit Lithium-Ionen-Batterien in Hochenergieanwendungen wie Elektrofahrzeugen oder Mobiltelefonen konkurrieren können. Sie sind aber trotzdem nützlich, wie Mecerreyes betont: „Wir könnten uns zum Beispiel auf Nischenanwendungen für dünne oder dreidimensionale Batterien in der (Mikro-)Elektronik, im Gesundheitswesen, im Internet der Dinge oder in Spielwaren ausrichten.“ Die Prototyp-Batterien leisten recht gute Arbeit mit abstimmbaren Spannungen zwischen 0,5 und 1,5 V sowie einer Energie-/Leistungsdichte in der Größenordnung von 80,6 Wh kg-1 / 348 kW kg-1, was für solche Anwendungen ausreichen könnte. Die Batterien sind ziemlich robust und können mehr als 1 000 Zyklen überstehen. „Mit POLYKEY beabsichtigen wir nun, dem Markt Polymere für Batterien sowie nachhaltige Polymerlösungen für das Kunststoffrecycling und die biobasierte Industrie zur Verfügung zu stellen. Seit dem Ende des Projekts arbeiten wir an der Erweiterung unseres Materialportfolios und suchen Partner und Investoren, die an dieser Technologie interessiert sind“, schließt Mecerreyes.
Schlüsselbegriffe
iPES-3DBat, Lithium-Ionen, POLYKEY, Biopolymere, Festkörperbatterien
