Gedruckte Redox-Flow-Batterie-Stacks aus Graphen-Composites, 3D-Druck in der Energiespeicherung

Sascha Surbanoski
vor 3 Tagen
4 Min. Lesezeit

Die Energiespeicherbranche steht unter Druck: Stationäre Speichersysteme müssen günstiger, skalierbarer und langlebiger werden. Redox-Flow-Batterien (RFB), Systeme, bei denen Energie in flüssigen Elektrolyten gespeichert und über eine Membran zwischen zwei Halbzellen ausgetauscht wird, bieten dafür theoretisch ideale Voraussetzungen. Das Problem liegt bisher in der Fertigung: Die Kernkomponenten, sogenannte Batterie-Stacks, werden traditionell aus gefrästen Graphitplatten oder spritzgegossenen Kunststoffrahmen zusammengesetzt, was sowohl teuer als auch geometrisch limitiert ist. Additive Fertigungsverfahren mit Graphen-Composites könnten das ändern.

Das Bauteil und der Anwendungsfall

Im Zentrum stehen die Bipolarplatten und Rahmenstrukturen eines Redox-Flow-Batterie-Stacks. Eine Bipolarplatte trennt die einzelnen Zellen voneinander, leitet elektrischen Strom ab und muss gleichzeitig chemisch beständig gegenüber aggressiven Elektrolyten wie Vanadiumsulfat sein. Klassisch werden diese Platten aus Graphit gefräst oder aus leitfähigen Kunststoff-Compounds spritzgegossen, beides Verfahren mit hohen Werkzeugkosten und wenig Spielraum für individuelle Kanalgeometrien.

Beim additiven Ansatz werden die Platten direkt aus Graphen-Composite-Materialien gedruckt. Graphen (eine einzelne Atomlage Kohlenstoff in hexagonaler Gitterstruktur) verleiht dem Trägermaterial, meist einem Photopolymer oder einem Thermoplast, elektrische Leitfähigkeit, ohne die mechanische Integrität wesentlich zu beeinträchtigen. Die Geometrie der Strömungskanäle, die den Elektrolyten durch die Zelle führen, lässt sich dabei frei gestalten und auf den jeweiligen Betriebspunkt optimieren.

Typische Abmessungen einer solchen Platte liegen zwischen 100 × 100 mm und 300 × 300 mm bei einer Dicke von 2 bis 5 mm. Ein vollständiger Stack für einen Labormaßstab umfasst 5 bis 20 solcher Zellen, für industrielle Anwendungen deutlich mehr.

Warum setzt die Branche auf 3D-Druck?

Der Haupttreiber ist die Geometriefreiheit. Konventionell gefräste Bipolarplatten erlauben nur einfache Kanalprofile wie Serpentinen oder parallele Stege. Additive Verfahren ermöglichen dreidimensionale Strömungsstrukturen, die den Druckverlust im Elektrolyten senken und die Durchmischung verbessern, beides direkte Einflussgrößen auf den Wirkungsgrad der Batterie.

Hinzu kommt der Prototypen-Aspekt: Wer neue Zelldesigns erproben will, muss bei konventioneller Fertigung jedes Mal ein neues Fräsprogramm aufsetzen oder ein Spritzgusswerkzeug beauftragen. Mit additiver Fertigung lässt sich ein neues Kanaldesign innerhalb von Stunden drucken und testen. Das beschleunigt Entwicklungszyklen erheblich, wie auch 3D Printing Industry in seiner Berichterstattung zu mehreren Forschungsprojekten in diesem Bereich dokumentiert.

Alternativen wie Laserablation oder Heißprägen wurden in verschiedenen Studien verglichen, scheiden aber bei komplexen 3D-Kanalstrukturen aus, da sie auf planare Oberflächen beschränkt sind. Spritzguss bleibt für hohe Stückzahlen konkurrenzfähig, ist aber in der Entwicklungsphase wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Verfahren und Material im Detail

Drei Verfahren stehen im Fokus der aktuellen Forschung und frühen Industrieanwendung. DLP (Digital Light Processing: ein Harzbad-Verfahren, bei dem eine UV-Lichtquelle ganze Schichten gleichzeitig aushärtet) ermöglicht sehr feine Kanalstrukturen mit Auflösungen unter 100 Mikrometern. Dafür werden leitfähige Photopolymer-Resins eingesetzt, denen Graphen-Nanoplättchen beigemischt sind. Die Herausforderung liegt in der gleichmäßigen Dispersion des Graphens im Harz, da Agglomerate die Druckqualität und die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen.

Beim FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling: schichtweiser Aufbau durch Aufschmelzen eines Filaments) werden Graphen-gefüllte Thermoplaste wie PLA, PETG oder PEEK verarbeitet. PEEK (Polyetheretherketon) ist dabei besonders interessant, da es hohe chemische Beständigkeit gegenüber Vanadiumelektrolyten bietet. FDM-gedruckte Platten zeigen jedoch eine ausgeprägte Anisotropie (richtungsabhängige Materialeigenschaften), was die Dichtigkeit der Strömungskanäle zur Herausforderung macht.

Binder Jetting (ein Pulverbettverfahren, bei dem ein Bindemittel selektiv auf Pulverlagen aufgedruckt wird) erlaubt die Verarbeitung von Graphit-Pulver-Mischungen und erzeugt Teile mit hoher Dichte nach einem anschließenden Sinterschritt. Dieses Verfahren ist am nächsten an den Eigenschaften konventionell gefertigter Graphitplatten, erfordert aber eine aufwendige Nachbearbeitung.

Was wurde konkret verbessert?

In publizierten Laborstudien zeigen additiv gefertigte Bipolarplatten aus Graphen-Composites elektrische Leitfähigkeiten von 10 bis 50 S/cm, das liegt unter dem Wert reiner Graphitplatten (100 bis 300 S/cm), ist aber für viele Anwendungen ausreichend. Der entscheidende Vorteil liegt in der Entwicklungsgeschwindigkeit: Iterationszyklen, die konventionell Wochen dauern, lassen sich auf Tage verkürzen.

Bei optimierten Kanalgeometrien, die nur durch additive Fertigung realisierbar sind, konnten Forschungsgruppen den Druckverlust im Elektrolyten um 15 bis 30 Prozent senken, was den Pumpenergiebedarf und damit den Systemwirkungsgrad direkt verbessert. Die Leckagerate, ein kritisches Qualitätsmerkmal, ist bei FDM-Teilen noch eine offene Baustelle, während DLP-gefertigte Teile hier bessere Ergebnisse zeigen.

Ehrlich gesagt bleibt die Skalierung auf industrielle Stückzahlen eine ungelöste Aufgabe. Aktuelle additive Verfahren sind für Kleinserien und Prototypen wirtschaftlich, aber für die Massenproduktion von Batterie-Stacks noch nicht wettbewerbsfähig gegenüber optimierten Spritzgussprozessen.

Übertragbarkeit für den Mittelstand

Für mittelständische Unternehmen im Bereich Energiespeicher, Anlagenbau oder Elektrotechnik ist dieser Ansatz vor allem in der Entwicklungsphase relevant. Wer neue Zelldesigns oder Stackkonfigurationen erproben will, kann mit einem externen Dienstleister schnell und ohne Werkzeugkosten Prototypen fertigen lassen. Die Einstiegshürde ist gering: Ein einzelner Prototypen-Stack lässt sich für wenige hundert Euro drucken und testen.

Die Materialauswahl erfordert Sorgfalt. Nicht jedes handelsübliche Graphen-Filament oder -Resin ist für den Einsatz in aggressiven Elektrolyten geeignet. Hier empfiehlt sich eine enge Abstimmung mit dem Druckdienstleister über die chemische Beständigkeit des gewählten Materials. Für die Fertigung von Prototypen mit leitfähigen Composites bietet 3ddrucklife.de entsprechende Beratung und Umsetzung an.

Ein typischer Stolperstein ist die Erwartung an die elektrische Leitfähigkeit: Gedruckte Graphen-Composite-Teile erreichen nicht die Werte von Reinst-Graphit. Wer das von Anfang an einkalkuliert und das Design entsprechend anpasst, kann dennoch funktionsfähige und aussagekräftige Prototypen erhalten. Für Kleinstserien bis etwa 50 Stück ist die additive Route auch wirtschaftlich sinnvoll, darüber hinaus sollte man den Vergleich mit Spritzguss ernsthaft prüfen.

Persönliches Fazit

Ich finde diesen Anwendungsfall aus mehreren Gründen bemerkenswert. Redox-Flow-Batterien sind keine Nischentechnologie mehr, sie spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der stationären Energiespeicherung, und die Fertigung der Kernkomponenten ist ein echter Engpass. Dass additive Verfahren hier nicht nur als Prototypen-Werkzeug, sondern potenziell als Produktionsmethode in Frage kommen, ist ein Zeichen dafür, wie weit sich die Materialentwicklung bewegt hat.

Gleichzeitig muss man ehrlich sein: Die elektrische Leitfähigkeit gedruckter Graphen-Composites ist noch kein vollwertiger Ersatz für Reinst-Graphit. Wer das ignoriert und einfach drauflosdruckt, wird enttäuscht sein. Wer aber gezielt Geometrievorteile nutzt und die Materialgrenzen kennt, kann echten Mehrwert generieren.

Aus meiner Praxis als Dienstleister sehe ich den größten Nutzen klar in der Entwicklungsphase: schnelle Iteration, keine Werkzeugkosten, sofortiges Feedback aus dem Test. Das ist der Bereich, wo 3D-Druck seinen stärksten Hebel hat, auch bei so spezialisierten Bauteilen wie Batterie-Stacks. Ob die Technologie irgendwann auch in der Serienproduktion mithalten kann, wird die nächste Materialgeneration zeigen müssen.