Gedruckte Elektroden für Lithium Ionen Akkus, 3D-Druck in der Energietechnik

Sascha Surbanoski
22. Juni
4 Min. Lesezeit

Die Energiespeicherbranche steht vor einem strukturellen Problem: Lithium-Ionen-Akkus stoßen mit konventionell hergestellten Elektroden an physikalische Grenzen. Forscher und Unternehmen weltweit erproben deshalb additive Fertigungsverfahren, um die innere Geometrie von Elektroden gezielt zu gestalten und damit Kapazität sowie Ladegeschwindigkeit zu verbessern.

Das Bauteil und der Anwendungsfall

Eine Elektrode in einem Lithium-Ionen-Akku ist im Kern eine dünne, poröse Schicht aus aktivem Material, die auf einem metallischen Stromableiter aufgebracht wird. Konventionell geschieht das per Rakelbeschichtung (Slurry-Coating): Eine Paste aus Aktivmaterial, Leitruß und Binder wird auf Kupfer- oder Aluminiumfolie aufgetragen und getrocknet. Das Ergebnis ist eine statistisch verteilte Porenstruktur, die den Ionentransport begrenzt.

Beim 3D-Druck von Elektroden wird diese Zufälligkeit durch eine definierte, dreidimensionale Architektur ersetzt. Forscher drucken Gitterstrukturen, Säulenmuster oder hierarchische Porensysteme direkt in das Elektrodenmaterial. Die Ionenwege werden kürzer und gleichmäßiger, was sowohl die nutzbare Kapazität als auch die Ratenfähigkeit (also die Fähigkeit, schnell zu laden und zu entladen) verbessert. Typische Schichtdicken liegen dabei zwischen 100 und 500 Mikrometern, die Strukturdetails können bis in den Bereich von 10 bis 50 Mikrometern aufgelöst werden.

Warum setzt die Branche auf 3D-Druck?

Der Auslöser ist ein fundamentales Dilemma der Elektrochemie: Dickere Elektroden speichern mehr Energie pro Fläche, verlangsamen aber den Ionentransport und damit die Laderate. Dünne Elektroden laden schnell, bieten aber weniger Kapazität. Konventionelle Fertigungsverfahren können diesen Zielkonflikt nicht auflösen, weil sie keine gezielte innere Geometrie erzeugen. Fräsen oder Stanzen scheiden aus, da die Materialien zu weich und zu dünn sind. Laserstrukturierung kann Oberflächen aufrauen, erzeugt aber keine dreidimensionalen Kanäle.

3D-Druck bietet hier einen konzeptionellen Ausweg: Durch definierte Kanalstrukturen können Elektrolyt und Lithiumionen auch in dicke Elektroden eindringen, ohne dass die Ladezeit proportional steigt. Wie das Fachportal All3DP in mehreren Beiträgen dokumentiert, arbeiten Forschungsgruppen unter anderem am MIT, am Fraunhofer-Institut und bei Startups wie Sakuu an genau diesem Ansatz. Der wirtschaftliche Druck dahinter ist erheblich: Elektromobilität und stationäre Speicher verlangen gleichzeitig nach mehr Reichweite, kürzeren Ladezeiten und geringeren Kosten pro Kilowattstunde.

Verfahren und Material im Detail

Zwei Verfahren dominieren die aktuelle Forschung und frühe Industrialisierung. Binder Jetting (ein pulverbettbasiertes Verfahren, bei dem ein flüssiges Bindemittel selektiv in ein Pulverbett gedruckt wird) eignet sich für oxidische Aktivmaterialien wie Lithiumeisenphosphat (LFP) oder Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC). Das Pulver wird schichtweise aufgetragen, der Binder fixiert die gewünschte Geometrie, anschließend wird das Bauteil gesintert. Der Vorteil: hohe Materialvielfalt und skalierbare Prozesse. Der Nachteil: die Auflösung ist begrenzt, feine Kanäle unter 50 Mikrometern sind schwer realisierbar.

DLP (Digital Light Processing, ein Harzbadverfahren, bei dem ein Projektor ganze Schichten auf einmal aushärtet) erlaubt deutlich feinere Strukturen. Hier werden photopolymerisierbare Pasten eingesetzt, die Aktivmaterial in suspendierter Form enthalten. Nach dem Druck folgt ein thermischer Prozess, der das Polymer ausbrennt und das Aktivmaterial sintert. Dieses Verfahren, das auch als Resin-3D-Druck bekannt ist, erreicht Auflösungen im Bereich von 10 bis 25 Mikrometern und ermöglicht besonders komplexe Gittergeometrien. Materialien sind unter anderem Lithiumtitanat (LTO) für Anoden und verschiedene Kathodenmaterialien auf NMC-Basis.

Was wurde konkret verbessert?

Die bislang publizierten Ergebnisse aus Forschungslabors sind bemerkenswert, müssen aber im Kontext eingeordnet werden. Studien berichten von Kapazitätssteigerungen zwischen 20 und 50 Prozent gegenüber konventionell beschichteten Elektroden gleicher Dicke, bei gleichzeitig verbesserter Ratenfähigkeit. Einige Gruppen zeigen, dass 3D-strukturierte Elektroden bei hohen Laderaten (4C und mehr, was einer vollständigen Ladung in 15 Minuten entspricht) deutlich weniger Kapazitätsverlust zeigen als planare Elektroden.

Ehrlich muss man aber festhalten: Die meisten dieser Ergebnisse stammen aus Labormaßstäben mit Elektroden im Zentimeterbereich. Die Übertragung auf industrielle Rollenware (Elektroden werden in der Massenproduktion als Meter lange Bänder gefertigt) ist noch nicht gelöst. Druckgeschwindigkeit, Materialkosten für spezielle Pasten und die Reproduzierbarkeit im Großmaßstab sind offene Herausforderungen. Der Schritt vom Laborprototyp zur Serienelektrode dürfte noch fünf bis zehn Jahre in Anspruch nehmen, sofern keine unerwarteten Durchbrüche gelingen.

Übertragbarkeit für den Mittelstand

Für mittelständische Unternehmen in der Batterietechnik, im Maschinenbau oder in der Elektromobilität ist dieser Anwendungsfall derzeit vor allem als Beobachtungsfeld relevant. Wer eigene Batteriezellen entwickelt oder Zellformate für Sonderanwendungen (Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Industrierobotik) spezifiziert, sollte die Entwicklung aktiv verfolgen. Die Einstiegshürde für eigene Versuche ist nicht trivial: DLP-Systeme mit der nötigen Auflösung und Materialkompatibilität kosten im Industriesegment zwischen 50.000 und 200.000 Euro, hinzu kommen Entwicklungsaufwände für geeignete Pasten und Sinterprozesse.

Realistischer ist für viele Mittelständler zunächst die Nutzung von Forschungspartnerschaften oder Auftragsdienstleistern, die auf funktionale Materialien spezialisiert sind. Wer hingegen Vorrichtungen, Halterungen oder Gehäuseteile für Batteriemodule benötigt, kann bereits heute auf etablierte Prototypen-Fertigung per 3D-Druck zurückgreifen, um Entwicklungszyklen zu verkürzen. Der direkte Einstieg in gedruckte Elektroden erfordert dagegen Spezialwissen in Elektrochemie, Materialkunde und Sintertechnik, das über klassische additive Fertigung hinausgeht.

Persönliches Fazit

Gedruckte Elektroden sind kein Hype, aber auch noch kein Produkt. Die wissenschaftliche Grundlage ist solide, die Ergebnisse aus den Labors sind überzeugend genug, um das Thema ernst zu nehmen. Was mich als jemanden, der täglich mit additiver Fertigung arbeitet, besonders interessiert: Hier wird 3D-Druck nicht als Ersatz für ein bestehendes Verfahren eingesetzt, sondern als Werkzeug, um etwas herzustellen, das vorher schlicht nicht möglich war. Das ist der stärkste Anwendungsfall überhaupt.

Gleichzeitig sollte man die Lücke zwischen Labordemonstration und Serienproduktion nicht kleinreden. Batterieelektroden werden in Milliarden von Einheiten gefertigt, mit Taktraten und Kostenstrukturen, die additive Verfahren heute noch nicht erfüllen können. Der realistische Zeithorizont für erste kommerzielle Produkte liegt meiner Einschätzung nach bei frühestens 2028 bis 2030, und dann zunächst in Nischensegmenten mit hohen Anforderungen und entsprechend höheren Toleranzen für Stückkosten. Wer in der Batteriebranche tätig ist, sollte das Thema im Blick behalten, aber keine kurzfristigen Investitionsentscheidungen darauf aufbauen.