Gedruckte Batterien für die Elektromobilität und mehr

Im Verbundprojekt »3DPrintBatt« hat sich das Fraunhofer IFAM gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung zum Ziel gesetzt, den 3D-Druck von Natrium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität und weitere Anwendungen in die Pilotfertigung zu überführen. Im Projekt verbinden wir dabei Batterie-Expertise mit fundiertem Know-how in der Additiven Fertigung.

Neuartige Festkörperbatterien als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien

„Die Batterie der Zukunft ist sicher, nachhaltig, flexibel und leistungsstark. Deshalb forschen wir an neuartigen Festkörperbatterien, da diese höhere Energiedichten und mehr Sicherheit ermöglichen“, sagt Dr. Ingo Bardenhagen, Gruppenleiter »Festkörperionik & Grenzflächen« am Fraunhofer IFAM. „Batterien mit einem Festkörperelektrolyten auf Natrium-Basis können dabei eine vielversprechende Alternative zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie darstellen, da der Rohstoff Natrium deutlich umweltschonender, besser verfügbar und kostengünstiger als Lithium ist.“

Die Gruppe widmet sich im Projekt »3DPrintBatt« vor allem der Weiterentwicklung des festen Ionenleiters sowie dem Aufbau und der Charakterisierung darauf basierender Batteriezellen. Neben der Herstellung dünner Schichten zur Reduktion des Innenwiderstandes der Batterie gilt es hierbei auch die Betriebsbedingungen für diese neuartige Batterietechnologie zu erarbeiten.

Besonderer Fokus liegt auf Pasten-Entwicklung und -Herstellung

Die Produktion der Prototypen von Natriumbatterien wird so ausgelegt, dass unterschiedlichste Aktivmaterialien zur Anwendung kommen können. Dadurch können produktspezifische Anpassungen der Batterie auf Zellebene schnell und kostengünstig vorgenommen werden. „Das Druckverfahren spielt dabei eine entscheidende Rolle und erlaubt neben der geometrischen Anpassung auch eine volumetrische Optimierung“, erklärt Jonas Deitschun, Gruppenleiter »Functional Printing« am Fraunhofer IFAM.

Im Projekt bringt die Gruppe vor allem ihre Erfahrung aus den Bereichen Pastenentwicklung, Druckverfahren und Prozessierung mit ein. Die Pastenentwicklung und -herstellung sind der Ausgangspunkt der späteren Batterien, weshalb hier ein besonderer Fokus im Projekt liegt. Die nachfolgende Prozessierung mittels Siebdruck wird maßgeblich durch die eingestellten Pasteneigenschaften beeinflusst und auch die spätere Zellperformance ist stark abhängig von der Zusammensetzung und der inneren Struktur der gedruckten Elektroden.

Über das Projekt

Das Projekt »3DPrintBatt – Nachhaltige, flexible additive Fertigungstechnologie für Natrium-Ionen-Festkörperbatterien« ist im März 2022 gestartet und läuft bis Dezember 2027. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit einem Gesamtumfang von 25 Millionen Euro gefördert (Förderkennzeichen 16BZF351C), das Fraunhofer IFAM ist mit einem Budget von 5,5 Millionen Euro beteiligt. Ungefähr 500.000 Euro werden dabei in eine neue Innovationslinie zur Fertigung von Festkörper-Natrium-Ionen-Zellen investiert und am Institut neu aufgebaut.

Ziel des Projektes ist die Etablierung von 3D-Druckprozessen für die Herstellung von Natrium-Ionen Batterien. Dabei wird neben der Entwicklung der Druckprozesse besonderes Augenmerk auf die Überwachung der Prozesse während der Produktion gelegt. Am Ende steht der Aufbau eines Demonstrators auf Basis von additiv gefertigten Batteriezellen. Geleitet wird das Konsorrtium von ZEISS Industrial Metrology Technology. Beteiligte Partner sind das Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig, der Varta AG, Leica Microsystems, Intego GmbH, db-matik AG, HORIBA Europe GmbH, das Institut für Nanotechnologie und Mikroskopie gGmbH sowie die Fraunhofer-Insitute IFAM, IST und IKTS.