Herstellung gedruckter elektrochemischer Zellen mit fraktaler Struktur mittels Laserdruckverfahren

Die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Geräte erfordert innovative Batteriekonzepte, die kompakte und leistungsfähige Energiespeicher ermöglichen. In dieser Arbeit wird erstmals, nach unserem Kenntnisstand, die Herstellung planarer fraktaler Elektrodenstrukturen (Hilbert- und Moore-Geometrien) mittels laserinduziertem Vorwärtstransfer (LIFT) demonstriert. Ziel ist die Steigerung der Leistungsfähigkeit vollständig gedruckter Lithium-Ionen-Mikrobatterien für miniaturisierte Anwendungen. Hierfür wurden spezielle Tintenformulierungen mit Mangandioxid (MnO2) als Kathodenmaterial, Silizium (Si) als Anodenmaterial und einem Gelpolymerelektrolyt auf Polyethylenglycol-Diacrylat-Basis (PEGDA) mit Lithiumperchlorat (LiClO4) entwickelt. Zur weiteren Leistungssteigerung wurden die Tinten durch Additive sowie durch Zink- oder Eisendotierung des MnO2-Pulvers modifiziert. Alle formulierten Tinten zeigten ein scherverdünnendes Verhalten mit variierender Viskoelastizität, was die Druckgenauigkeit und Schichtdicke beeinflussten. Zur Unterstützung der Herstellung der fraktalen Elektrodenstrukturen wurden selbstimmolative Polymere (SIP) als Opferschicht im LIFT-Prozess getestet. Aufgrund thermischer Instabilität während des Materialtransfers kam es jedoch zu Perforationen, sodass die SIP-Schicht nicht in die Elektrodenfertigung aufgenommen wurde. Die hergestellten Vollzellen mit der Moore-Struktur erreichten die höchste Flächenabdeckung von 74,2 % und maximierte dadurch die aktive Oberfläche. Die spezifische Kapazität wurde jedoch durch die begrenzte Ionenbeweglichkeit im hochviskosen GPE eingeschränkt. Dennoch erreichten die Moore-Strukturen mit eisendotierten Kathoden die höchste spezifische Kapazität von 7,5 mAh/g und zeigten in einer Langzeitstudie über 100 Lade- und Entladezyklen hinweg die besten Leistungswerte. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial der Moore-Strukturen für den Einsatz in miniaturisierten Energiespeichersystemen und unterstreichen die Bedeutung weiterer Forschungen in diesem Bereich.