Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl
Im Bereich der Energiespeicher ist seit geraumer Zeit eine enorme Dynamik bei der Entwicklung neuer Konzepte und Speichermaterialien zu beobachten, da sich der generelle Trend zur Miniaturisierung von drahtlosen Sensoren, Aktoren sowie zur Nutzung aktiver Transponder zur Radiofrequenz-Identifikation fortsetzt. Außerdem setzt sich langsam die Elektrifizierung unterschiedlichster, auch großer und schwerer Verkehrsmittel durch.
Der Aspekt der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, als mögliche Methode zur Produktion von Energiespeichern ist vergleichsweise neu. Der Schwerpunkt dieser Bemühungen liegt bei den sekundären Batteriesystemen, auch Akkumulatoren genannt, die wieder aufgeladen werden können, sowie primären Batteriesystemen, die nicht für eine Aufladung vorgesehen sind.
Erstmals wurde 2013 eine 3D-Lithium-Ionen-Mikrobatterie gedruckt. Dazu wurde für etablierte Anoden- und Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ein verzahntes Design entwickelt und deren Kombination mit Hilfe des Direct Ink Writing umgesetzt. So konnte gezeigt werden, dass das Stapeln und Anordnen von Batteriemodulen mit additiven Fertigungsmethoden zu vereinfachen ist. Seitdem werden ständig neue Elektrodenmaterialien und modular nutzbare 3D-Architekturen entwickelt. Zu ihrer Umsetzung wird eine große Bandbreite an verschiedenen Drucktechniken genutzt. Derzeit kommen vorwiegend Direct Ink Writing, Fused Deposition Modeling, Inkjet Printing und Stereolithografie bei der additiven Fertigung von Batteriesystemen oder deren Einzelkomponenten zum Einsatz. Jedes dieser Verfahren bringt spezifische Vorteile, aber auch Beschränkungen mit sich. Im Spannungsfeld der erreichbaren Auflösung, Größe des Produktes, Durchsatzmenge, Materialpalette und Fähigkeit zum Multimaterialdruck, Designfreiheit sowie den damit verbundenen Kosten, zeichnet sich für das jeweilige Verfahren ein sehr individuelles Profil ab. Wie bei allen anderen Einsatzgebieten der additiven Fertigung muss dieses Profil mit Anwendungszweck und erforderlichem Materialsystem der Batteriemodule abgeglichen werden, um zu einer konkurrenzfähigen Alternative werden zu können. Erste großtechnische Fertigungslinien von LIB, bei denen gedruckte Batterieelektroden und die Festkörperbatterietechnologie zum Einsatz kommen, zeigen, dass dieses Potenzial in Deutschland bereits umgesetzt werden kann.
Im Bereich der angewandten Forschung ist die Fertigung von Elektrodenmaterialien von besonderem Interesse. So konnte bislang eine Vielzahl der am häufigsten verwendeten Kathodenmaterialien für LIB erfolgreich gedruckt werden, wie z. B. Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Übergangsmetallphosphate, aber auch unterschiedliche Lithium-Oxide. Darüber hinaus wurden Kathoden von Natrium-Ionen-Batterien, die als kostengünstige Alternative zu LIB diskutiert werden, gedruckt, z. B. ein Natrium-Phosphat mit einer Netzstruktur und ein Natrium-Oxid mit einer zylindrischen Struktur. Erste Komposite mit vielversprechend hohen spezifischen Kapazitäten konnten ebenfalls gedruckt werden, z. B. Schwefel- und Kohlenstoffkomposite für Lithium-Schwefel-Batterien und kohlenstoffbasierte Katalysatorverbundstoffe für Lithium-Sauerstoff-Batterien. Zudem könnten Komposite, die reduziertes Graphen und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) enthalten, für Lithium-Kohlendioxid-Batterien sowie Zink- oder Aluminium-Luft-Batterien von Interesse werden.
Bei den Anoden wird am häufigsten Lithium-Titanat für LIB gedruckt, aber auch Komposite mit Graphit oder Graphen. Wie bei den gedruckten Kathoden von Natrium-Ionen-Batterien sind auch die entsprechenden Natrium-Ionen-Anoden gedruckt worden, meist Komposite mit Graphen, aber auch Anoden auf Oxidbasis. Ein Schwerpunkt liegt auch hier bei Lithium-Metall-Anoden und Problemen des unkontrollierten Dendritenwachstums sowie großvolumigen Veränderungen an den Grenzflächen beim Aufladen.
Um vollständig gedruckte Batterien mit Designvielfalt umsetzen zu können, müssen jedoch weitere Komponenten eines Batteriepacks additiv gefertigt werden. Neben dem eigentlichen Speichermaterial werden Kollektorfolien, Separator, Gehäuse, Verdrahtung und Elektrolyt benötigt. Dieser Anteil grenzt meist an die 75 % und wird derzeit fast nicht betrachtet. Langsam rücken jedoch auch druckbare Elektrolyte in den Fokus. Polymere und Polymer-Keramik-Hybride für Festkörperbatterien konnten im Labormaßstab bereits realisiert werden. Speziell das Verhältnis zwischen Polymer- und Keramikkomponenten kann leicht angepasst werden. Mit größeren und komplexeren Zellen würde dieser Anteil gesenkt werden. Dieser Ansatz könnte so zu höheren Reichweiten führen oder bietet die Möglichkeit, auf Speichermaterialien mit geringerer Energiedichte (wie Lithium-Eisenphosphat oder Natrium-Ionen) umzusteigen. Das Ziel dieser Batteriesysteme wäre dann preiswerter, sicherer, umweltfreundlicher und langlebiger zu sein als herkömmliche Systeme. Parallel dazu wird der Markt für intelligente tragbare Geräte, die den direkten Zugang zu Daten sowie deren Erfassung und Auswertung ermöglichen, sowohl im Freizeitbereich wie auch in der Gesundheitsfürsorge größer. Die Größe der Energiequellen, die derzeit in der Regel größer sind als das Gerät, gehört zu den Hauptfaktoren, die die Miniaturisierung solcher sogenannten Wearables bremst. Die additive Fertigung scheint zukünftig der gangbarste Weg, dem steigenden Bedarf an flexiblen Stromquellen, ausreichender Leistungs- und Energiedichte in den entsprechenden Abmessungen zu begegnen.
Additive Fertigungsprozesse erlauben sowohl die einfachere Individualisierung des Zelldesigns als auch die präzise dreidimensionale Fertigung von komplexen inneren Strukturen durch die Nutzung von wiederkehrenden Design-Elementen. Dadurch kann einerseits der zur Verfügung stehende Raum voll ausgenutzt werden, was speziell für aero- oder hydrodynamisch optimierte und/oder sehr kleine Plattformen wie Drohnen relevant ist. Andererseits ermöglichen sie eine großtechnische Realisierung von 3D-Batteriekonzepten, z. B. auf der Grundlage mikro- und nanostrukturierter Architekturen, zur Steigerung der Energiedichten. So weisen beispielsweise Dünnschichtbatterien zwar eine hohe Leistungsfähigkeit auf, da bei solchen 2D-Konzepten die Wege der Ionendiffusion (meist Lithium-, aber auch z. B. Natrium-Ionen) sehr kurz gehalten werden. Damit verbunden sind jedoch auch niedrige Kapazitäten, die direkt proportional zur Fläche und Dicke der elektroaktiven Schichten sind. Eine Zunahme der Dicke wäre wiederum mit längeren Diffusionspfaden verbunden und würde das Problem nicht lösen. Designkonzepte zur Optimierung poröser Strukturen für Komponenten wie Elektroden und Festelektrolyte gehören daher zu den Schlüsselstrategien zur Verbesserung von Leistung und Zuverlässigkeit. Die Möglichkeit, jede beliebige Architektur und Porenstruktur je nach Bedarf zu entwerfen, könnte spezifische wissenschaftliche, aber auch technologische Probleme lösen. Dies betrifft sowohl etablierte Batteriesysteme wie Lithium-Ionen-Batterien, als auch neuere Konzepte wie z. B. Lithium-Schwefel- oder Lithium-Sauerstoff-Batterien, die erst zukünftig in die Anwendung gelangen könnten.
Fraunhofer Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen
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