Werden Batterien in Zukunft 3D-gedruckt?

Üblicherweise muss ein elektronisches Gerät an die Form und Größe der Batterien angepasst werden. Ent­wick­lungen im Bereich der additiven Fertigung sollen ermöglichen, kleinere, leistungsfähigere und vor allem flexibel an jede 3D-Form anpassbare Energiespeicher herzustellen.

Gedruckte Batterien sind kein neues Forschungsthema. Bereits seit einigen Jahren beschäftigen sich Forschende aus Wissenschaft und Industrie mit dem Druck von Energiespeichern. Denn, Batterien zu drucken bringt einige Vorteile: Es entstehen kostengünstige und flexible Energiequellen, die in Bezug auf Dicke, Geometrie, Spannung, Kapazität und Gewicht anwendungsspezifisch angepasst werden können.

Dabei gibt es mehrere technische Varianten: Festkörperbatterien in Dünnschichttechnik (Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus), sowie wiederaufladbare Zink-Luft-Zellen, beispielsweise von Varta oder Zink-Manganoxid-Systeme vom Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme. Anwendung finden die gedruckten Batterien vor allem in dünnen und flexiblen Produkten, beispielsweise in intelligenten Chips oder Sensor-Karten, medizinischen Pflastern oder in Temperaturloggern in der Lebensmittelüberwachung.

Moderne Verfahren der additiven Fertigung erlauben auch den Schritt in die 3. Dimension. In einem Forschungsprojekt ist es beispielsweise gelungen, mit komplexen 3D-gedruckten Elektroden Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Die poröse Architektur der Elektroden kann zu höheren Ladekapazitäten führen, was Batterien ermöglicht, welche bei gleichem Gewicht eine höhere Kapazität aufweisen oder bei gleicher Kapazität ein stark reduziertes Gewicht.

Für den Erfolg von E-Mobility, dem Internet der Dinge sowie zur Speicherung der Energie aus erneuerbaren Quellen, wie Wind oder Solar, sind leistungsfähige Batterien nötig. Neben der Energiedichte sind eine geringe Selbstentladung, eine Wiederaufladbarkeit von 1000 bis 10.000-fach sowie die Sicherheit der Batterien entscheidende Faktoren.

Kleiner, leistungsfähiger und maßgeschneidert

Und diese leistungsfähigen Energiespeicher werden in Zukunft 3D-gedruckt. Zumindest, wenn es nach Vladimir Egorov, Forscher an der Universität Cork in Irland, und einigen seiner Kollegen geht. Für sie öffnet der 3D-Druck die Möglichkeit, eine neue Generation kleinerer, leistungsfähigerer und vor allem maßgeschneiderter Speicher herzustellen. Zu diesem Schluss kommen sie, nachdem sie eine Vielzahl an Veröffentlichungen zu unterschiedlichen Druckverfahren und -materialien für die Herstellung von Batterien untersuchten.

In einem 50-Seiten umfassenden Review geben die Autoren einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung, die unterschiedlichen 3D-Druckverfahren sowie die Ausgangsmaterialien, welche zum Druck von Batterien geeignet sind.

Dabei vergleichen sie die verschiedene 3D-Drucktechnologien – Inkjet-Druck, Materialextrusion (wie Fused Deposition Molding und Fused Filament Fabrication) , Binder-Jet-Verfahren, Photopolymerisation (wie Stereolithografie) und Pulverbettverfahren (wie selektives Lasersintern und selektives Laserschmelzen) – und bewerten deren Vor- bzw. Nachteile hinsichtlich Auflösung, Geschwindigkeit, Bauraum, Kosten, Qualität sowie der Fähigkeit, mehrere Materialien zu verarbeiten (Mulitmaterial-Druck).

Prinzipiell können nach Aussage der Autoren alle Komponenten elektrochemischer Energiespeichersysteme (EESD) – leitende Materialien und Zellgehäuse, Polymer- und Festelektrolyte, Separatoren sowie aktive Materialien – mit den gängigen 3D-Drucktechniken verarbeitet werden. Aber nicht alle AM-Techniken sind gleich gut geeignet, um die unterschiedlichen Komponenten herzustellen.

Die Autoren gehen in dem Review im Detail auf den Druck der verschiedenen Komponenten sowie kompletter Batteriezellen ein. Ein Leitfaden hilft bei der optimalen Wahl von Drucktechnik, Elektrodendesign und Materialien unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte, beispielsweise den Betriebsbedingungen (Temperaturbereich, Umgebung) sowie den Anforderungen der Anwendung (Flexibilität, mechanische Stabilität, Gewicht).

Leistungsfähigkeit additiv gefertigter Energiespeicher

In einem ausführlichen Überblick gehen die Autoren auf die Leistung der in den betrachteten Veröffentlichungen beschriebenen Energiespeicher.

Als repräsentativ für den Fortschritt beim Druck von Li-Ionen-Zellen sehen die Autoren eine mittels Tintenstrahl 3D-gedruckte Mikrobatterie, die aus Li4Ti5O12 (LTO)- und LiFePO4 (LFP)-Mikroelektroden-Arrays besteht. Sie bietet eine hohe Flächenenergiedichte von 9,7 J/cm² bei einer Leistungsdichte von 2,7 mW/cm².

Als eine weitere interessante Entwicklung heben die Autoren ein flexibles asymmetrisches Festkörper-Superkondensatorsystem (auch hergestellt Inkjet-Verfahren) das auf K2Co3(P2O7)2-2H2O- und Graphen-Nanoblättern basiert. Dieses Bauelement lieferte eine relativ hohe Volumenkapazität von 6 F/cm³ und besitzt eine ausgezeichnete Zyklenstabilität (5,6 % Kapazitätsverlust) nach 5000 Zyklen bei 10 mA/cm³. Eine Vielzahl weiterer Beispiele sowie ein Vergleich der 3D-gedruckten Zellen finden sich im Review.

Zukunftsfähigkeit und Ausblick

Für den Erfolg und die Zukunftsfähigkeit 3D-gedruckter Batterien sind neben der Sicherheit (sowie Standards zur Zertifizierung der Batterien) und der Wiederaufladbarkeit vor allem die flexible Formgebung ausschlaggebend. Und auch wenn die wichtigsten Druckverfahren (Inkjet, Extrusion und Photopolymerisation) bereits Möglichkeiten zur Herstellung von EESD bieten, sind weitere Entwicklungen in den Bereichen Multimaterial-Druck, Auflösung der Drucker sowie druckbare Materialien erforderlich.

Einen Ausblick, wie lange es dauert, bis die Evolution vollzogen ist und 3D-gedruckte Batterien in der industriellen Serienfertigung angekommen sind, geben die Autoren nicht. Und auch der wichtige Aspekt Recycling, der laut Experten eine völlig neue Sichtweise der Batterieentwickler erfordert wird im Review nicht betrachtet – und hat nicht die Flexibilität, die der 3D-Druck bietet, das Potenzial diese bedeutende Neuerung zu beschleunigen?

Originalveröffentlichung:
V. Egorov et. al.: Evolution of 3D Printing Methods and Materialsfor Electrochemical Energy Storage

(ID:46349420)