Um die anspruchsvollen Ziele der Europäischen Union in Bezug auf den European Green Deal und die damit verbundene Transformation der EU zu einer Ressourcen-effizienten und nachhaltigen Gesellschaft zu erreichen, müssen Energiewandlungsanwendungen stark ausgeweitet und deren Effizienzen deutlich erhöht werden. Beispiele für solche Energiewandlungs-Anwendungen sind thermoelektrische Generatoren oder elektromechanisches Energy Harvesting. Für beide Anwendungen gibt es charakteristische Kenngrößen, die die Effizienz der Energiewandlung beschreiben. Um hier möglichst hohe Werte zu erreichen, müssen teilweise stark korrelierte Eigenschaften gezielt modifiziert werden. Für thermoelektrische Generatoren müssen hohe elektrische, aber niedrige thermische Leitfähigkeiten erzielt werden. Für elektromechanisches Energy Harvesting müssen hohe elektromechanische Kopplung aber niedrige Permittivität erreicht werden. Diese Ziele scheinen zunächst unvereinbar, jedoch lassen sich mit Hilfe von additiver Fertigung mit Kapillarsuspensionen diese Widersprüche überwinden.

Anhand von Barium-Titanat waren wir kürzlich in der Lage die Leistungsfähigkeit von elektromechanischen Energy Harvestern dramatisch zu erhöhen [1]. Mit den von uns additiv gefertigten Bauteilen konnten wir die Effizienz um das Zweieinhalbfache im Vergleich zu allem, was in der Literatur publiziert ist, erhöhen. In Bezug zur konventionellen Herstellung erzielten wir eine Erhöhung um fast 500 %. Diese enorme Steigerung der Effizienz erlaubt völlig neue Einsatzmöglichkeiten. Eine ähnliche Erhöhung könnte im Fall von thermoelektrischen Generatoren erzielt werden und wird derzeit erforscht. Zudem lassen sich mit der Methode der Kapillarsuspensionen weitere Verbesserungen auf dem Gebiet der Energiewandlung erzielen. Hierzu zählen poröse Transportschichten in Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren, sowie Heizelemente in Elektrofahrzeugen.

[1] Menne, D., Lemos da Silva, L., Rotan, M., Glaum, J., Hinterstein, M. & Willenbacher, N.: Giant Functional Properties in Porous Electroceramics through Additive Manufacturing of Capillary Suspensions. ACS Appl. Mater. Interfaces 14, 3027 (2022).