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 Februar 2025. 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 2,5 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.

Die am Projekt beteiligte Blackstone Technology GmbH wird auf Basis der Ergebnisse aus der Innovationslinie an ihrem Produktionsstandort im Sächsischen Döbeln eine Pilotanlage aufbauen. Die so produzierten 3D-gedruckten Natrium-Batterien sollen in einem Elektrobus der Berliner Firma Eurabus im Praxiseinsatz auf ihre Leistungsfähigkeit geprüft werden. Unterstützt wird die Entwicklung durch die Konsortialpartner ZEISS, dem Institut für Partikeltechnik (iPAT), der TU Braunschweig sowie den Fraunhofer-Instituten IST und IKTS.