• Die nächste Grenze des Druckens: Energie und Batterien

Die nächste Grenze des Druckens: Energie und Batterien

„Das Potenzial für neue Anwendungen ist unbegrenzt — und der Fortschritt schreitet immer schneller voran.“

Scott Elrod, Vice President und Director von PARC, einem Xerox Unternehmen

(Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem PARC Blog.)

Wenn man an Drucken denkt, kommt einem wohl zunächst das Drucken von Tinte auf Papier in den Sinn.

Die Wissenschaftler bei PARC denken deutlich weiter — und ihr neuer Ansatz hat das Potenzial, die Welt der Elektronik, des Transports und der Energie zu verändern. PARC erforscht wegweisende neue Prozesse, die das Druckverfahren für ungewöhnliche Produktkategorien nutzen — Produkte, die mit eigener Intelligenz ausgestattet sind.

Nehmen wir zum Beispiel den rasch wachsenden Markt für gedruckte und flexible Elektronik. PARC zufolge dürfte dieser Markt schon bald einen Wert von mehreren Milliarden US-Dollar haben. Diese Entwicklung geht mit günstigeren und effizienteren Möglichkeiten zur Herstellung einfacher Schaltungen einher, die eine wichtige Voraussetzung für den Ausbau des Internets der Dinge sind.

Da gedruckte Schaltungen im Vergleich zu den heutigen Silizium-Chips äußerst günstig hergestellt werden können, ist eine Vielzahl neuer Kategorien an Produkten vorstellbar, die heute nicht existieren — Produkte, die in Massenproduktion gefertigt und gleichzeitig auf individuelle Bedürfnisse zugeschnitten werden können.

Gedruckte Autobatterien? Das und mehr von Xerox.

 

Energy Harvesting

Über das Druckverfahren lassen sich Geräte herstellen, die Energie aus dem Umgebungslicht oder Radiowellen beziehen und damit Sensoren versorgen — ohne dass Kabel oder Batterien nötig sind.

Vollständig gedruckte Geräte, die Energie auf diese Weise „ernten“, sind bisher noch unausgereift — die Entwicklung dieser Technologie hin zu Anwendungen für das Internet der Dinge schreitet jedoch rasant voran. PARC verwendet das Hochgeschwindigkeitsdruckverfahren von Rolle zu Rolle zur Fertigung „energieerntender“ Antennen, welche Energie aus WLAN, GPS oder Handys beziehen und damit kleine Sensoren versorgen. Diese Sensoren lassen sich beispielsweise an der Wand anbringen oder in die Infrastruktur eines Gebäudes integrieren.

Die von Metamaterialien inspirierte Antenne ist in der Lage, Energie effizient zu erfassen und umzuwandeln — selbst wenn diese deutlich kleiner als die Wellenlänge der bezogenen Energie ist. So lassen sich Geräte herstellen, die besonders klein und energieeffizient sind.

 

Gedruckte Lösungen für den Energiebereich

Die Inspiration für den Druck einer Batterieelektrode bei PARC stammt aus einer Kombination aus unorthodoxem Denken und täglicher Routine.

Ein Forscher hatte bei der Arbeit an einer Brennstoffzelle ein kniffliges Problem zu lösen, als ihm die Erleuchtung kam — zwar nicht in der Badewanne, aber auch nicht allzu weit davon entfernt.

Gestreifte Zahnpasta aus der Tube gab den überraschenden Anstoß für eine interessante Idee. Könnte das gleiche Prinzip — die Extrusion mehrerer Materialien durch eine Düse — auf Mikroebene angewandt werden, um Strukturen zu drucken?

Allerdings! Das Ergebnis war eine bahnbrechende neue Technik namens Co-extrusion (CoEx).

Indem dickflüssige Massen durch feine Kanäle gepresst werden, lassen sich geometrische Strukturen mit großer Präzision auf ein Substrat aufbringen. Auf Solarzellen kann man so sehr feine Rasterlinien aus Silber herstellen, welche die Oberfläche maximieren und so mehr Solarstrom erzeugen.

Die Anwendung des CoEx-Verfahrens auf gedruckte Batterien ermöglicht die Herstellung optimaler Elektrodenstrukturen, mit denen sich die Leistungs- oder Energiedichte — oder auch beides — erhöhen lässt. Dieser revolutionäre und kostengünstige Ansatz lässt sich auf die Massenfertigung der meisten chemischen Batteriezusammensetzungen anwenden.

Wir arbeiten derzeit daran, diese Technik auch auf den Druck von Autobatterien zu übertragen. Bei elektrischen Autobatterien hat diese eine Technologie das Potenzial, die Kilometerleistung um bis zu 20 Prozent zu steigern. Das ist beachtlich, wenn man bedenkt, dass Batterien üblicherweise von Jahr zu Jahr eine Verbesserung von rund 7 Prozent liefern.

 

Kumulierte Gewinne

Wir bei PARC haben gelernt, dass die Kombination aus tiefgreifendem Know-how und frischen Denkansätzen neue Möglichkeiten eröffnen kann. Ob von Zahnpasta inspirierte gedruckte Batterien oder mit Metamaterialien gedruckte Antennen — oder auch selbstzerstörende Mikrochips — kluge Köpfe mit Erfahrung in einem Bereich haben das Potenzial, Entdeckungen in anderen Bereichen anzustoßen.

Innovationen kommen selten allein. Ebenso wie sich Know-how in einem Bereich auf einen anderen übertragen lässt, kann eine Anwendung einer Technologie zu anderen Einsatzmöglichkeiten führen. Ein Beweis dafür ist die Zusammenarbeit von PARC mit der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) der US-Regierung.

 

Besuchen Sie PARC beim Energy Innovation Summit

Besuchen Sie PARC vom 29. Februar bis 2. März 2016 bei der ARPA-E (Stand 526) in Washington, D.C. Der Energy Innovation Summit wird von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums veranstaltet. ARPA-E investiert in transformative Ideen, um Amerikas Energietechnologien der Zukunft zu fördern.

Die DARPA beauftragte PARC mit der Entwicklung einer Technologie zur Früherkennung, die in Soldatenhelme integriert wird und so die Wucht von Explosionen überwachen und Hirntraumata verhindern soll. PARC druckte dafür Komponenten für ein streifenähnliches Druckwellen-Dosimeter, das die folgenden Voraussetzungen der DARPA erfüllte: Es sollte kostengünstig und leicht zu entsorgen sein, aber trotzdem in der Lage, Daten in Extrembereichen zu erfassen.

Die Erfahrungen aus der Entwicklung dieser militärischen Anwendung haben zur Weiterentwicklung gedruckter Sensoren geführt, sodass diese nun in Bereichen eingesetzt werden können, wie der Überwachung der Patientengesundheit, dem Verpackungs- und Struktur-Monitoring und in anderen Bereichen, die flexible und kostengünstige Sensoren erfordern.

Das Potenzial für neue Anwendungen ist unbegrenzt — und der Fortschritt schreitet immer schneller voran. Wenn die Wirtschaftlichkeit der Druckverfahren mit innovativen Ideen für neue Einsatzmöglichkeiten gekoppelt wird, entstehen Lösungen, die die Welt verändern.

Wir bei PARC leisten unseren Beitrag dazu, diesen Fortschritt voranzutreiben. Dabei behalten wir die nächste Herausforderung ebenso im Auge wie die Erfahrungen der Vergangenheit.