#3DStartup: MATERIAL will mit 3D-gedruckten Batterien die Geräteentwicklung verändern

Seit Jahrzehnten gilt in der Hardwareentwicklung dieselbe Regel: Das Produkt muss sich der Batterie anpassen. Ob Drohne oder Smartphone – Ingenieur:innen mussten ihre Produkte bislang an die starren Vorgaben herkömmlicher Batteriezellen anpassen und dabei häufig Abstriche bei Gewicht, Platznutzung und Design machen, nur damit die Geräte überhaupt betrieben werden können.

Genau hier setzt das Start-up MATERIAL aus Florida an. Mithilfe eines eigenen 3D-Druckverfahrens entwickelt das Unternehmen Batterien in nahezu jeder gewünschten Form. Statt das Produkt an die Batterie anzupassen, soll sich die Batterie an das Produkt anpassen. Das Konzept bringt MATERIAL mit seinem Slogan auf den Punkt: „Wir bauen keine Batterien. Wir drucken Energie.“ Für das „Startup des Monats“ im Juni haben wir uns mit Dr. Chris Reyes, dem CTO, Mitbegründer und Erfinder des Verfahrens, zusammengesetzt, um mehr über die Vision des Unternehmens zu erfahren.

3DN: Können Sie sich kurz vorstellen und erzählen, wie Sie begonnen haben, sich mit 3D-Druck zu beschäftigen?

Wir sind MATERIAL, ein Unternehmen für moderne Fertigungstechnologien, und haben eine Maschine entwickelt, die fast alles drucken kann. Angefangen haben wir mit Lithium-Ionen-Batterien, die wir mithilfe unserer eigenen Nanomaterialien herstellen.

Die Idee entstand während meiner Promotion an der Duke University. Damals, etwa 2014 oder 2015, begannen wir, uns intensiv mit additiver Fertigung zu beschäftigen. Wir arbeiteten in einem materialwissenschaftlichen Labor, entwickelten Nanomaterialien, arbeiteten an Verbundwerkstoffen und erforschten deren Eigenschaften und Wachstum. […] Ich wollte noch einen Schritt weitergehen und herausfinden, ob sich eine Batterie 3D-drucken lässt. Daraus entstand letztlich die Idee für das Unternehmen. Nach meiner Promotion wechselte ich an die Rice University, wo ich mich als Postdoktorand mit weiteren Fertigungstechnologien beschäftigte. […] 2023 beschlossen wir schließlich, das Unternehmen zu gründen und die Idee praktisch umzusetzen.

Mitgründer Miles Dotson (links), CEO Gabe Elias (Mitte) und Chris Reyes (rechts).

3DN: Können Sie uns mehr über die 3D-Drucktechnologie erzählen, die MATERIAL einsetzt?

Zu viele Details kann ich nicht verraten, aber es handelt sich um ein multimodales Drucksystem. Wir arbeiten mit Kunststoffextrusion und nutzen derzeit FDM, können aber auch Pellets sowie verschiedene Polymerverbundwerkstoffe verarbeiten. Darüber hinaus haben wir eigene Schneckenextruder entwickelt, mit denen sich Batterieslurries extrudieren lassen. Auch die Verarbeitung von Nanokompositen gehört zu unseren Kompetenzen. Wir können unterschiedliche Arten von Slurries und Nanokompositen dosieren und verfügen zusätzlich über ein eigenes Sensorsystem, das die In-situ-Nachbearbeitung ermöglicht. Das Verfahren ähnelt dem Direct Ink Writing […], wurde jedoch an unsere speziellen Materialien angepasst, die besondere Anforderungen mit sich bringen.

3DN: Wie entstand die Idee, Batterien an die Form des Produkts anzupassen?

Die Idee entstand, als ich auf der Suche nach einem Forschungsthema war. Ich wollte an etwas arbeiten, das langfristig relevant bleibt. Batterien wird es immer in irgendeiner Form geben. Vielleicht werden Lithium-Ionen-Batterien eines Tages eine ähnliche Rolle einnehmen wie heute Blei-Säure-Batterien – eine Technologie, die trotz ihres Alters weiterhin ihren festen Platz hat. Deshalb wollte ich mich mit einer Technologie beschäftigen, die sich stetig weiterentwickelt und auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird. Energiequellen werden wir schließlich immer brauchen.

Hinzu kommt ein grundsätzliches Problem bei heutigen Batterien: Sie bestehen meist aus zylindrischen oder prismatischen Zellen. Dadurch geht viel Platz verloren, weil im Grunde nur viele einzelne Zellen dicht nebeneinander angeordnet werden. Mit 3D-Druck kann man den verfügbaren Raum deutlich besser ausnutzen. So lässt sich beispielsweise das Speichervolumen erhöhen oder die Wärmeableitung und Stabilität verbessern. Meiner Ansicht nach ist 3D-Druck die einzige Technologie, mit der das möglich ist.

3DN: Was sind die größten Vorteile von 3D-gedruckten Batterien?

Einer der wichtigsten Vorteile ist die deutlich höhere Energiedichte. Wir können viele Bestandteile einsparen, die nicht direkt zur Energiespeicherung beitragen, und Batterien an Stellen integrieren, an denen herkömmliche Lösungen nicht passen würden. Freiräume innerhalb eines Gehäuses lassen sich so für die Batterie nutzen, was wiederum die Laufzeit erhöht. Hinzu kommen die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Mit derselben Maschine kann man beispielsweise eine Batterie für eine Drohne oder ein Modellfahrzeug entwickeln und anschließend eine Batterie für ein völlig anderes Produkt herstellen. […] Bei herkömmlichen Batterien ist das anders. Wer Produktionsanlagen für zylindrische Batteriezellen aufbaut, ist in der Regel auf genau diesen Zelltyp festgelegt. Ein weiterer Vorteil ist die Effizienz. Wir bündeln sieben bis zwölf Schritte der Batterieherstellung in einer einzigen Maschine. Dadurch benötigen wir deutlich weniger Platz.

Bei der Herstellung einer 3D-gedruckten Batterie werden Anode, Separator und Kathode miteinander kombiniert.

3DN: Mit welchen Herausforderungen mussten Sie seit der Gründung von MATERIAL umgehen?

Eine der naheliegendsten Herausforderungen waren die Zölle. Wir bauen ein Unternehmen auf, das viel Hardware benötigt und gleichzeitig im Bereich der Materialwissenschaften tätig ist. Entsprechend waren [die Zölle] für uns eine interessante und besondere Veränderung. Gleichzeitig gibt es derzeit einen starken Trend, Produktion und Lieferketten wieder stärker ins eigene Land zu holen. Dadurch haben sich neue Möglichkeiten ergeben, und viele Unternehmen sagen heute: „Das können wir inzwischen auch hier herstellen.“

Eine weitere [Herausforderung] ist, dass wir unsere eigenen Nanomaterialien entwickeln und produzieren. Diese in großem Maßstab herzustellen, ist aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften nicht einfach. Genau die Eigenschaften, die Nanomaterialien so interessant machen, erschweren oft auch ihre Verarbeitung.

3D-gedruckte Batterien können unter anderem in Drohnen, Verteidigungsanwendungen, KI-Wearables, medizinischen Geräten und vielen weiteren Bereichen eingesetzt werden.

3DN: Möchten Sie unseren Leser:innen zum Abschluss noch etwas mit auf den Weg geben?

Ich bin ein großer Fan des 3D-Drucks und habe mich schon immer für diese Technologie begeistert. Meiner Meinung nach sollte 3D-Druck schon in der Schule stärker thematisiert werden. Außerdem bin ich überzeugt, dass möglichst viele Menschen Zugang zu 3D-Druckern haben sollten, weil sie den Alltag in vielerlei Hinsicht bereichern können. Mich interessiert vor allem, herauszufinden, was mit 3D-Druck alles möglich ist. Wir beginnen mit Batterien, möchten uns in Zukunft aber auch anderen Materialien und weiteren Anwendungen widmen.

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*Bild: MATERIAL