Gedruckte Batterien

Fertigungstechnologie für Batterien der Zukunft: Mithilfe des Siebdruck-Verfahrens bietet das Fraunhofer IFAM Alternativen für die Batteriefertigung. Neue Fertigungskonzepte ermöglichen dabei höhere Aktivmaterialbeladungen sowie größere Freiheiten im Elektrodendesign. Komplett gedruckte Batterien verhelfen einerseits dazu, sich von den Einschränkungen der aktuellen Fertigungstechnik zu lösen und andererseits den Einsatz von Lösemitteln und nachfolgender Trocknungsprozessen zu reduzieren. Das Fraunhofer IFAM verbindet dabei Batterie-Expertise mit fundiertem Know-how in der Additiven Fertigung.

Nachhaltige Batterie der Zukunft

Das Thema Energiespeicher ist aktuell so präsent wie nie zuvor. Die größten Herausforderungen sind dabei unter anderem die Erhöhung der spezifischen Energiedichte oder eine verbesserte Umweltfreundlichkeit durch die Nutzung alternativer Materialien und eines verbesserten Recyclings. Um diese Herausforderungen zu meistern, erforscht und entwickelt das Fraunhofer IFAM umweltfreundliche Energiespeichertechnologien und Prozesse, sowie Festkörperbatterien, welche durch neue Fertigungstechniken wie z.B. dem Mehrfachdruck mittels Siebdruck hergestellt werden. Dabei konnten bereits Prototypen von additiv gefertigten Batterien entwickelt werden.

Über die Herstellroute lassen sich am Fraunhofer IFAM im Vergleich zur konventionellen Elektrodenherstellung dickere Elektrodenschichten herstellen, wodurch höhere Energiedichten realisiert werden können. Des Weiteren werden durch den endformnahen Druck neue Elektrodendesigns ermöglicht und höherer Realbeladungen mit verringertem Lösungsmitteleinsatz erreicht. Der Fertigungsprozess eignet sich dadurch nicht nur für den Prototypenbau, sondern ermöglicht eine anwendungsspezifische »Batterieherstellung-on-Demand«.

Ein weiterer wichtiger Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IFAM liegt in der Entwicklung neuer Druckpasten auf Basis umweltfreundlicherer Nickel- oder Kobalt-freier Materialien sowie wasserbasierter Rezepturen.

Additive Fertigungsverfahren für die Batteriefertigung

Unsere Expertinnen und Experten besitzen umfassendes Know-How in der Pastenherstellung für gedruckte Elektroden. Dieses umfasst die Auswahl geeigneter Materialien (Aktivmaterialien, Leitadditive, Binder, Rheologie-Additive, Lösemittel), die Formulierung der Paste entsprechend den individuellen, spezifischen Anforderungen des Anwendungsfalles der zu erstellenden Batteriezellen und der Homogenisierung der Pasten mittels geeigneter Dispergierverfahren (z.B. Dispermat, Dreiwalzwerk oder Extruder).

Der Siebdruckprozess stellt eine Möglichkeit der Herstellung von dicken Elektrodenschichten dar. Je nach zu erstellendem Elektrodentyp mit entsprechendem Elektrodenmaterial und Ableitersubstrat werden am Fraunhofer IFAM die Druckprozessparameter optimiert. Diese umfassen unter anderem das Siebdesign, die Gewebeart, der genutzte Rakelwinkel/-druck, der Druckmodus oder die Druckgeschwindigkeiten.

Zelltests zur Charakterisierung der Elektrodenschichten

Die Performance der erstellten Batterieelektroden wird am Fraunhofer IFAM anschließend durch den Aufbau von Batteriezellen verifiziert. Hierbei werden beispielsweise Porosität durch Nachverdichtung, die Elektrolyte und die Separatoren oder das Elektrodenmatching variiert. Gegenstand der Untersuchungen sind unter anderem die Kapazitätsausnutzung, Zyklenstabilität, Widerstandsverläufe oder Ratenfähigkeit.

Im Fraunhofer IFAM steht dabei die entsprechende Messtechnik zur elektrochemischen Charakterisierung von Zellkomponenten zur Verfügung. Die Tests können unter kontrollierten Umgebungsbedingungen durchgeführt werden.

Die Zukunft der gedruckten Batterie

Sekundäre Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Lithium-Ionen-Batterien (LiB) gehören heutzutage zu den vielversprechendsten Technologien, um den Energiebedarf mittels mobiler und stationärer Energiespeichersystem leistungsgerecht zu decken. Optimierungen im Bereich der Energiedichte haben u.a. das Ziel, die notwendigen eingesetzten elektrochemisch inaktiven Materialien auf ein Minimum zu reduzieren. Dabei spielt neben der Energiedichte der Aktivmaterialien besonders das Elektrodendesign eine entscheidende Rolle für die Zellperformance. Die Hauptpunkte für das Elektrodendesign liegen in der notwendigen Schichtdicke, Porosität und der Aktivmassenbeladung der Beschichtung. Hierbei kann die Drucktechnik gezielt Elektrodenschichtdicken erhöhen, über Mehrfachdruck spezifisch angepasste Layer erzeugen und entsprechend gute Eigenschaften hinsichtlich Tortuosität, ionischer sowie elektronischer Leitfähigkeit und damit Leistungsfähigkeit ermöglichen.  

Durch die Reduzierung von Lösemitteln oder die Verwendung wässriger Träger durch den Einsatz hoch gefüllter Druckpasten können die Umweltbelastung und Kosten reduziert werden, sowohl Investitionsseitig als auch Betriebsbedingt, z.B. durch Energieeinsparung beim Trocknungsprozess.

Neuartige Designs, auch auf Zellebene, können ebenso eine Verbesserung der Gesamtenergiedichte erzeugen, wobei die Drucktechnik maximale Flexibilität und neue Konstruktionsansätze zulässt. Die Form- und Formatunabhängige Auslegung und Flexibilität gedruckter Elektroden bieten damit ein breites Konstruktionsspektrum, mit individualisiertem Formfaktor bei gleichbleibender Performance, für alle Arten integrierter Energiespeichertechnik.

Neue Materialien und Technologien erfordern oft neuartige Prozess- und Fertigungstechnik. Das Drucken von Batteriekomponenten bis zur gedruckten Batterie unterstützt bei der Umsetzung neuartiger Batterietechnologien, sowie Anlagenbauer und Batteriezellfertiger und adressiert verschiedene Anwendungsbereiche.

Die Batterietechnologie sowie innovative Fertigungsprozesse sind wichtige Kompetenzen des Fraunhofer IFAM. Unter der Leitung von Daniela Fenske und Mario Kohl forschen die beiden Teams »Elektrochemische Energiespeicher« und »Functional Printing« an der Batterieherstellung mittels 2D- und 3D-Druckverfahren. Die beiden Teams verbinden dabei Batterie-Expertise mit fundiertem Know-how in der Additiven Fertigung und entwickeln so innovative Fertigungstechnologien für die Batterien der Zukunft. Die Anwendungsbereiche reichen von der Mobilität, über die Energietechnik und Life Science bis hin zu Maritimen Technologien.