All dies hat einen klaren Bedarf geschaffen: Energiequellen, die nicht nur effizient, sondern auch physisch an die jeweiligen Produkte anpassbar sind. Sie müssen daher sicher, dünn und flexibel sein oder individuelle Formen aufweisen.
In diesem Zusammenhang gelten gedruckte Batterien als eine der wichtigsten Revolutionen im Bereich der Energiespeicherung. Diese Lösungen ermöglichen die direkte Herstellung von Batterien auf dünnen, flexiblen Substraten mittels Drucktechniken wie dem Siebdruck oder die Fertigung von Produkten mit individuellen Formen und Strukturen durch additive Fertigung (3D-Druck). Diese Entwicklungen sind bereits Realität; Lösungen sind auf dem Markt erhältlich, neue Anwendungen werden erforscht, und Technologiezentren wie AIMPLAS treiben Entwicklungen voran, die das Potenzial haben, den Sektor grundlegend zu verändern.

Ein Blick auf die Gegenwart: Was gibt es bereits und was tut sich?
Gedruckte Batterien sind heute auf dem Markt erhältlich, ihr Einsatz konzentriert sich jedoch weiterhin auf Anwendungen mit geringem Energiebedarf, wie z. B. medizinische Einweggeräte, RFID-Tags, Sensoren mit niedrigem Stromverbrauch und intelligente Kosmetikprodukte. Unternehmen wie Blue Spark Technologies und Enfucell vermarkten Produkte auf Basis von Flachbildschirm-Drucktechnologien mit Zink- oder Manganelektroden und Gel- oder Festpolymerelektrolyten.
Diese Geräte sind derzeit nicht wiederaufladbar und weisen gewisse Einschränkungen auf. Daher entwickeln verschiedene Forschungszentren und Universitäten neue Materialien und Designs für gedruckte Batterien. Ziel ist es, die Energiedichte zu erhöhen, die Stabilität zu verbessern und die Form der Batterien an die jeweiligen Produktanforderungen anzupassen. Dies stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber dem traditionellen Modell dar, bei dem sich das Produkt an die Batterie anpassen musste und nicht umgekehrt.

Siebdruck: 2D-Energie – präzise und vielseitig.
Der Siebdruck ist eine Technik, die sich durch einfache Handhabung, Marktreife und Skalierbarkeit auszeichnet und seit Jahrzehnten im Bereich der gedruckten Elektronik eingesetzt wird.
Diese Technik etabliert sich als vielversprechender Kandidat für die Entwicklung der vom Markt geforderten neuen Batterien. Ihr Hauptvorteil liegt in der Möglichkeit, Funktionsschichten (Elektroden, Elektrolyte, Separatoren) mit kontrollierter Dicke und Morphologie auf flexible Substrate wie Kunststofffolien, Textilien oder technisches Papier aufzubringen. Diese Parameter sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit und die letztendliche Funktionalität des gedruckten Energiespeichers.
AIMPLAS verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung im Bereich der gedruckten Elektronik und besitzt die Technologie, um die Entwicklung flexibler Energiespeicher voranzutreiben. Daher hat das Technologiezentrum eine Forschungs- und Entwicklungsabteilung für siebgedruckte Batterien eingerichtet.
Aktuell wird an der Anwendung handelsüblicher Funktionsmaterialien, wie z. B. leitfähiger Tinten auf Metalloxidbasis, für die Herstellung gedruckter Batterien gearbeitet. Gleichzeitig wird an der Entwicklung neuer, nachhaltigerer Materialien mit besserer Verarbeitbarkeit und Kompatibilität mit den Anforderungen des 2D-Drucks geforscht, was die Herstellung dünner Batterien mit einer Dicke von weniger als einem Millimeter ermöglichen wird, die direkt in Etiketten, technische Textilien, Verpackungen oder Einweg-Sensorsysteme integriert werden können.

3D-Druck: Maßgeschneiderte Batterien mit Volumen.
Während Siebdruck die Herstellung flacher Batterien ermöglicht, geht die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, einen Schritt weiter: Sie erlaubt die Erstellung dreidimensionaler Strukturen mit individuell angepassten Geometrien, die an den verfügbaren Platz im Gerät angepasst sind. Dies ist besonders nützlich in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, bei Wearables und eingebetteten Systemen.
Angesichts des hohen Potenzials und der signifikanten Vorteile, die die additive Fertigung für die Entwicklung kundenspezifischer Produkte bietet, startete AIMPLAS im vergangenen Jahr eine strategische F&E-Initiative, in der verfügbare FD- und Direct-Writing-Technologien für die Entwicklung von 3D-gedruckten Batterien eingesetzt wurden.
Diese Arbeit führte zu den ersten Prototypen von 3D-gedruckten Batterien, wobei neue Materialien formuliert wurden, die nicht nur funktional sind, sondern auch mit den genannten additiven Technologien verarbeitet werden können. Diese ersten Entwicklungen haben gezeigt, dass der 3D-Druck die Herstellung der verschiedenen Batteriekomponenten aus aktiven Materialien ermöglicht und damit den Weg für vollständig in das Produkt integrierte Batteriedesigns ebnet.
Darüber hinaus bietet diese Technik große Designfreiheit, da Batterien in Trägerstrukturen, Gehäuse oder Elemente mit dualer struktureller und energetischer Funktion integriert werden können.

Der unsichtbare Schlüssel: Gezielte Porositätsgestaltung.
Einer der weniger sichtbaren, aber wichtigsten Vorteile dieser Technologien ist die Möglichkeit, die innere Porosität der Elektroden gezielt zu strukturieren. Die Porosität beeinflusst die elektrochemische Leistung direkt, da sie die Ionendiffusion erleichtert und den Kontakt zwischen den aktiven Materialien und dem Elektrolyten verbessert.
Sowohl Siebdruck als auch 3D-Druck ermöglichen die Gestaltung funktionaler Strukturen, entweder durch Anpassung der Zusammensetzung der Tinten und Pasten oder durch Kontrolle des Druckmusters und der Geometrie jeder einzelnen Schicht. Dies ist grundlegend für die Maximierung der Ladekapazität, Lebensdauer und Energieeffizienz gedruckter Batterien.

Fazit: Energie, die sich der Zukunft anpasst.
Gedruckte Batterien stellen eine stille, aber gewaltige Revolution in der Energiespeicherung dar. Ihre Fähigkeit, sich an neue Formen anzupassen, in intelligente Produkte integriert zu werden und funktionale Materialien zu nutzen, macht sie zu einer Schlüsseltechnologie der nahen Zukunft.
AIMPLAS positioniert sich als wichtiger Akteur in diesem Bereich und kombiniert seine Expertise in Kunststoffen, funktionalen Materialien und fortschrittlichen Fertigungsprozessen mit einer klaren Vision: die Entwicklung nachhaltiger, gedruckter Energielösungen, die sich an die wandelnden Bedürfnisse des Marktes anpassen.
Denn die Zukunft der Energie misst sich nicht nur in Volt oder Ampere, sondern auch in Form, Anpassungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Funktionalität.

Autor: Joaquín Castán, Ingenieurforscher – Aimplas