Trend-NEWS

Die industrielle additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, hat sich in den letzten zehn Jahren in vielen Bereichen etabliert. Ein Grund dafür ist, dass die heutigen Additive Fertigungstechnologien die Herstellung besonders komplexer Geometrien ermöglichen. So können beispielsweise Bauteile hergestellt werden, die besonders leicht sind und/oder für ganz spezifische Belastungen ausgelegt sind. Zudem sind auch architektonisch gestaltete, gitterartige Strukturen mit einzigartigen Energieabsorptionseigenschaften realisierbar.

Die verschiedenen Additive Fertigungsverfahren entwickeln sich dynamisch weiter und der Wunsch nach Multimaterialdruckverfahren, die im Vergleich zum herkömmlichen schrittweisen Druckverfahren den Druck komplexer Bauteile in einem Schritt ermöglichen würden, ist geweckt. Damit wäre z. B. die Herstellung konsolidierter Baugruppen sowie ganzer gedruckter Systeme möglich, die die Aufgaben vieler Einzelkomponenten übernehmen. Für viele dieser Anwendungen gehört die Versorgung mit Energie zu den größten Herausforderungen. Druckbare Energiespeichersysteme sind somit in diesem Zusammenhang von großem Interesse.

Im Bereich der Energiespeicher ist seit geraumer Zeit eine enorme Dynamik bei der Entwicklung neuer Konzepte und Speichermaterialien zu beobachten, jedoch ist der Aspekt der additiven Fertigung als mögliche Methode zur Produktion von Energiespeichen vergleichsweise neu. Vor zehn Jahren wurde erstmals der Druck einer 3D-Lithium-Ionen-Mikrobatterie beschrieben. Dazu wurde für etablierte Anoden- und Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien ein verzahntes Design entwickelt und deren Kombination mit Hilfe des Direct Ink Writings umgesetzt. So konnte gezeigt werden, dass das Stapeln und Anordnen von Batteriemodulen mit additiver Fertigung zu vereinfachen ist. Seitdem werden ständig neue Elektrodenmaterialien und modular nutzbare 3D-Architekturen entwickelt. Zu ihrer Umsetzung wird inzwischen eine große Bandbreite an verschiedenen Drucktechniken erprobt. Heute befinden sich die diesbezüglichen Technologien aber noch im Labor- bzw. Prototypenstadium.

Ein großer Vorteil additiv gefertigter Batterien ist ihre, im Vergleich zu herkömmlichen Batterien, substanziell verbesserte Energie- und Leistungsdichte. Denn durch additive Fertigung können neuartige Elektroden gefertigt werden, die eine höhere Energiedichte sowie einen besseren Austausch zwischen Elektrode und Elektrolyt ermöglichen. Beispiele hierfür sind verzahnte Elektrodenstrukturen, hochporöse Strukturen, komplexe Gitterstrukturen sowie röhren- oder faserförmige Elektroden.

Ein zweiter großer Vorteil additiv gefertigter Batterien ist die mögliche Individualisierung des Zelldesigns. 3D-Druck erlaubt eine nahezu frei wählbare Geometrie solcher Batterien, die zukünftig exakt auf den zur Verfügung stehenden Raum angepasst werden könnten. Zusammen mit der Möglichkeit, eine Vielzahl von Substraten – darunter Textilien oder papierähnliche Substrate – einsetzen zu können, ergeben sich daraus völlig neue Designoptionen, vor allem im Bereich am Körper getragener elektronischer Geräte, sogenannter Wearables. Beispielsweise könnten Batterien zukünftig in Brillengestelle oder Armbänder integriert werden. Dadurch eignen sie sich sehr gut für die Energieversorgung zukünftiger Technologien wie intelligenter Textilien, smarter Kontaktlinsen oder elektronischer Pflaster. Der Aspekt der frei wählbaren Geometrie ist ebenfalls für aero- oder hydrodynamisch optimierte und/oder sehr kleine unbemannte Systeme wie Drohnen relevant. In diesem Zusammenhang ist die Fertigung von Batterien, die nur auf wenige Ladezyklen ausgelegt sind und dafür deutlich kostengünstiger gefertigt werden können, sogenannte »Wegwerf-Batterien«, von Bedeutung.

Ein dritter wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit des Druckens von Batterien mit Feststoff- oder Gel-Elektrolyten. Solche Feststoffbatterien bringen gegenüber flüssigen Elektrolyten verschiedene Vorteile mit sich, insbesondere aber eine höhere Sicherheit durch eine deutlich geringere Entflammbarkeit und die fehlende Möglichkeit einer Leckage des Elektrolyten.

Das volle Potenzial der Technologie wird sich jedoch vermutlich erst mittel- bis langfristig nutzen lassen, da die Fortschritte beim sogenannten Multimaterialdruck nur sporadisch sind. Dies ist somit eine Fähigkeit, die künftige 3D-Druck-Systeme eröffnen sollten.