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Projekt SUPERBAT

Gedruckte Supercaps und Batterien (Supercapatteries) für intelligente Energiespeichersysteme [SUPERBAT]

 

Laufzeit: 01.01.2022 – 31.12.2023

Forschungsziel

Leistungsstarke, massenbedruckte 3D-Energiespeicher, realisiert durch:

  • Material- / Tintenentwicklung für gedruckte Superkappen und Batterien mit Hybridelektroden zur Verwendung als Superkapsel mit Schwerpunkt auf Umweltfreundlichkeit (z. B. Substrat = Papier; Elektroden = Graphenoxid…)
  • R2R-Prozessentwicklung für ein- und mehrschichtige 3D-Geräte (Druck und Postpress)
  • Hybride intelligente Energieverwaltungselektronik, integriert in ein Energiespeichergerät
  • Entwicklung von Demos für Zielanwendungen (z. B. Stromversorgungssystem für Sensor / Aktor-Netzwerk)
Abbildung: Roll-to-Roll-Druckmaschine (R2R) LaborMAN 1 bei pmTUC (links) und R2R-gedruckte CNT-Elektroden auf Textil

Beschreibung

Unser tägliches Leben wird immer mehr von mehreren elektronischen Geräten beeinflusst. Begriffe wie „Elektronik überall“ und „Internet der Dinge“ (IoT) werden Realität und versuchen, die Welt Schritt für Schritt in eine intelligente zu verwandeln: Von großen Smart Cities über Smart Home bis hin zu kleinen Smart Packaging und viel mehr. Allen diesen Megatrends ist gemeinsam, dass eine effektive und umweltfreundliche Stromversorgung erforderlich ist, die aus einer erneuerbaren Energiequelle und einer „grünen“ Lösung für die Energiespeicherung, insbesondere für autarke Energielösungen, bestehen sollte.

Für den Energiespeicher werden üblicherweise (wiederaufladbare) Batterien oder in spezifischeren Fällen Superkondensatoren (SCs) ausgewählt. SCs werden üblicherweise als Alternative zu wiederaufladbaren Batterien verwendet, wenn ein schneller Energieschub erforderlich ist. Die Energiedichte von SCs ist jedoch viel geringer als die von Batterien.

Einige der Vorteile wie hohe Kapazität, hervorragende Leistungsdichte und beeindruckende Effizienz machen sie jedoch für einige Anwendungen attraktiv. Während das Problem der Selbstentladung eine sehr wichtige Herausforderung für SCs darstellt, sind die geringe Lebensdauer und sicherheitsrelevante Bedenken weitere Herausforderungen für Batterien. Angesichts all dieser Informationen konzentriert sich SUPERBAT darauf, die besten Eigenschaften von SCs und wiederaufladbaren Batterien zu kombinieren, indem eine kostengünstige, umweltfreundliche und sichere Superkapazität (eine Kombination aus Superkondensator und Batterie) entwickelt wird zur Stromversorgung flexibler elektronischer Systeme, z im Bereich Gesundheitswesen, Smart Packaging und viele weitere zukünftige IoT-Anwendungen. Da die Fertigungstechnologie skalierbar ist, werden in einer zweiten Phase des Projekts 3D-Architekturen von Superkapatteriesystemen unter Verwendung hocheffizienter Nachdrucktechnologien entwickelt, die eine noch höhere Kapazität bieten. Solche 3D-Systeme sind attraktiv für Anwendungen mit höheren und variablen Leistungs- und Energieanforderungen, z. nach Bedarf für Drohnen.

Für die Realisierung intelligenter Energiespeichersysteme wird eine hybride (gedruckte Elektronik + diskrete winzige Si-Geräte) intelligente Energieverwaltungselektronik entwickelt und nahtlos in die gedruckte Superkapatterie integriert, um eine frühzeitige Anpassung des gedruckten Energiespeichersystems an reale Anwendungen zu ermöglichen.

Nach unserem besten Wissen wurde ein solches gedrucktes Energiespeichersystem mit Superkapatterie-Ansatz und integrierter Hybrid-Energieverwaltungselektronik nicht gezeigt, bevor der innovative und vorwettbewerbliche Charakter des Projekts klar zum Ausdruck gebracht wurde.

SUPERBAT wird von drei Forschungseinrichtungen aus zwei Ländern, Deutschland und der Türkei, durchgeführt. Während die Sakarya University, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Metallurgie und Werkstofftechnik, Spezialist für die Entwicklung neuartiger Batteriesysteme, Werkstoffe und Verfahren ist, ist die TU Chemnitz mit ihrem Institut für Druck- und Medientechnologie einer der Pioniere auf dem Gebiet der gedruckten Elektronik einschließlich gedruckte Energiespeicher. Die TU Dresden mit ihrem Professur für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie wird mit ihrem hohen Ansehen auf dem Gebiet der neuesten elektronischen Entwicklungen einen Beitrag zur Elektronik des Projekts leisten. Die Projektkoordination wird von 3D MID e.V. Zusammen mit Sakarya Teknokent werden beide Verbände die Projektergebnisse ihren zahlreichen Mitgliedern aus Industrie und Wissenschaft vorstellen. Das Projekt wird von einem großen SME User Committee (SME UC) mit 14 Unternehmen unterstützt und beraten, die die gesamte Wertschöpfungskette von Materialien / Tinten über Druckunternehmen bis hin zu Spezialisten für Energiespeichergeräte und Endbenutzern aus Deutschland und der Türkei abdecken, die großes Interesse zeigen unseres Ansatzes und der Notwendigkeit weiterer Entwicklungen für dieses zukunftsweisende Forschungsfeld neuartiger und innovativer Energiespeicher.

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