Ein Startup namens Material Hybrid Manufacturing versucht, „Geometrie“ anstelle chemischer Formeln zu verwenden, um die nächste Runde der Batterierevolution voranzutreiben. Das Unternehmen wurde 2023 von Gabe Elias gegründet, einem Ingenieur, der zuvor für das Mercedes-AMG F1-Team und Rivian arbeitete. Es wurde ein 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem komplette Batteriesysteme direkt auf verschiedene gekrümmte Oberflächen und Strukturen „gedruckt“ werden können, wodurch die Einschränkungen herkömmlicher quadratischer und zylindrischer Batteriezellen beim Gerätedesign aufgehoben werden sollen.
Anfang dieses Jahres erhielt Material von der US-Luftwaffe einen Auftrag über 1,25 Millionen US-Dollar, um innerhalb von 18 Monaten die Machbarkeit dieser 3D-gedruckten Batterietechnologie für Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrthardware zu demonstrieren. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Demonstration, wie „verformbare Batterien“, die sich biegen und an strukturelle Oberflächen anpassen können, Designfreiheit ermöglichen können. Auf diesem aufstrebenden Weg konkurriert das Unternehmen mit Wettbewerbern wie Sakuú aus dem Silicon Valley und Blackstone Technology aus Deutschland, um die Gelegenheit zur Kommerzialisierung gedruckter Batterien zu nutzen, insbesondere für kleine Systemszenarien, bei denen „die Form die Funktion bestimmt“.
Die proprietäre Plattform von Material, Hybrid3D, ist in der Lage, alle Schlüsselkomponenten einer Batterie – Anode, Kathode, Separator und Gehäuse – Schicht für Schicht zu drucken, ohne dass Formen oder herkömmliche Werkzeuge erforderlich sind. Das System kombiniert die Prinzipien des Direktschreib-Tintenstrahldrucks und des Fused Deposition Modeling, um nacheinander aktive Materialien mit einer Schichtdicke von 100 bis 150 Mikrometern abzuscheiden und anschließend flüssigen Elektrolyten einzuspritzen, um den Batteriekern fertigzustellen. Als Nachfolgeprodukt entwickelt das Unternehmen derzeit auch eine Solid-State-Version.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmodellen, die auf Metallgehäusen, Stromschienen und massiven Kabelbäumen basieren, kann diese Druckmethode die Batterie „unsichtbar“ in die bestehende Struktur integrieren. Bei Drohnen wird erwartet, dass die Batterien entlang der Flügel oder Arme verteilt sind; Bei tragbaren Geräten können Batterien gebogen und entlang des Rahmens von Datenbrillen verteilt sein, anstatt ein fest geformtes Batteriemodul zu sein. In einem Interview mit IEEE Spectrum sagte Elias, dass sich der Hybrid3D-Prozess an nahezu jede geometrische Form anpassen kann und gleichzeitig im chemischen System der Batterie flexibel bleibt. Es kann zwischen NMC 811, NMC 111, Lithiumeisenphosphat (LFP), Lithiumtitanat und anderen Systemen wechseln, indem es Eingabematerialien und Softwareparameter ändert.
Das Gründungsteam von Material konzentrierte sich zunächst auf die Automobilindustrie und hoffte, maßgeschneiderte Batteriepakete für Elektrofahrzeuge herzustellen. Doch bald stellten sie fest, dass der gesamte Bauraum von Elektrofahrzeugen relativ großzügig ist. Beispielsweise kann der 135-kWh-Akku eines Rivian-Pickups mehr als 7.700 zylindrische Zellen aufnehmen, sodass die marginalen Vorteile der Formoptimierung begrenzt sind. Im Gegensatz dazu unterliegen kleine Drohnen, individuelle Soldatenausrüstung und Unterhaltungselektronikgeräte der neuen Generation strengeren Platzbeschränkungen, und Batterien werden oft zu „passiven Adaptern“. Wie Elias sagte, werden verschiedene elektronische Komponenten ständig eingebettet, integriert und optimiert, aber die Batterie ist der einzige Teil der Gleichung, der sich nicht gleichzeitig weiterentwickelt hat.
Um vom Konzept zum Proof of Concept zu gelangen, hat sich Material mit dem Drohnenhersteller Performance Drone Works (PDW) zusammengetan, um eine seiner Drohnen mit Batterien nachzurüsten. Während der von Material gedruckte Akku das gleiche Volumen wie der ursprüngliche 48-Zellen-Akku einnahm, erreichte er eine 50-prozentige Steigerung der Energiedichte und eine 35-prozentige Steigerung der internen Raumnutzung. Den Berechnungen des Teams zufolge soll diese Effizienzsteigerung zu einer Verdoppelung der Flugdistanz bzw. einer deutlichen Erhöhung der Nutzlastkapazität bei gleichbleibender Reichweite führen. Wenn die Technologie weiter ausgebaut wird, könnte die Batterie direkt in die Karosseriestruktur oder sogar das Motorgehäuse „eingeschrieben“ werden, wodurch das Batteriemodul im herkömmlichen Sinne grundsätzlich entfällt.
In militärischen Szenarien zeigt sich der potenzielle Wert dieser Technologie besonders deutlich: leichtere und ergonomischere individuelle Stromversorgungssysteme sowie die direkte Integration von Stromversorgungen in Helme zur Unterstützung leistungsstarker optischer Geräte und Kommunikationssysteme. Elias erinnerte sich, dass er während seiner Arbeit bei Mercedes-AMG versucht hatte, die Batteriezellen rund um den F1-Fahrersitz anzuordnen, um Aerodynamik und Gewichtsverteilung zu optimieren, aber letztendlich zurückgestellt wurde, weil die mechanische Komplexität zu hoch war. Diese Erfahrung trug auch zu der späteren Idee der additiven Fertigung bei, „die Batterie zu einem Teil der Struktur zu machen“.
Seiner Ansicht nach ist dies ein unvermeidlicher Weg, um das Konzept der „direkt mit Batteriepacks verbundenen Zellen“ fortzusetzen – von der Umwandlung von Zellen in Module über die direkte Umwandlung in Batteriepacks bis hin zur weiteren Umwandlung der Energiespeicherung in strukturelle Subsysteme statt in unabhängige Komponenten. Das erste kommerzielle Druckgerät von Material hat eine Plattformgröße von 550 x 350 mm, und das Unternehmen entwickelt bereits Drucker mit größerem Format, um das Formen größerer Komponenten zu unterstützen. Dies bedeutet auch, dass das Produktionsmodell möglicherweise grundlegende Änderungen erfährt: In Zukunft können bestimmte Produkte direkt von CAD-Modellen in physische Objekte umgewandelt werden, ohne dass teure Änderungen an der Produktionslinie und Investitionen in Formen erforderlich sind.
Elias wies darauf hin, dass auch traditionelle Giganten der Unterhaltungselektronik nach Batterielösungen suchen, die in die Struktur passen. Beispielsweise hat Apple durch herkömmliche Prozesse eine große Anzahl L-förmiger und speziell geformter Akkus in iPhones verwendet, um mehr Platz im Gehäuse zu schaffen. Er glaubt, dass, wenn ähnliche oder sogar komplexere geometrische Formen durch Drucken realisiert werden können, nicht nur die Kosten deutlich sinken, sondern auch die Skalierbarkeit stärker sein wird, was für tragbare Geräte wie Datenbrillen, die in Zukunft sowohl das Aussehen als auch die Akkulaufzeit berücksichtigen wollen, von entscheidender Bedeutung sein wird.
Damit dieses Konzept wirklich umgesetzt werden kann, muss Material noch an der Prozessstabilität, insbesondere an den rheologischen Eigenschaften des Materials und der Kontrolle der Schichtdicke, feilen. Es muss ein hohes Maß an Konsistenz auf einer Skala nahe der Breite eines menschlichen Haares aufrechterhalten, um Ertrag und Leistungskonsistenz sicherzustellen. Dennoch sind die Aussichten aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv: Sobald 3D-gedruckte Batterien ausgereift sind, wird erwartet, dass sie eine breite Preisspanne von Einzelzellen bis hin zu Multi-Kilowattstunden-Batteriepaketen abdecken, wobei die aktuellen Marktpreise für Letztere zwischen etwa 400 und 3.000 US-Dollar pro Kilowattstunde liegen.
Durch die Reduzierung von Teilen und die Vereinfachung des Montageprozesses sollen gedruckte Batterien höhere Gewinnspannen in komplexen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung erzielen, die besonders empfindlich auf Form und Gewicht reagieren, da in diesen Bereichen strukturelle Integration und Flexibilität oft wichtiger sind als die reinen Stückkosten. Wenn sich Hybrid3D letztendlich als realisierbar erweist, stellt die Form der Batterie im Materialbereich keine Einschränkung mehr für das Design dar, sondern wird Teil des Designs selbst.