Traditionelle Batterien sind starre Zylinder oder Quader, die das Design elektronischer Geräte einschränken. In unserem F&E-Labor durchbrechen wir diese Grenzen, indem wir eine siebgedruckte Mangan-Zink-Batterie entwickeln. Es handelt sich um eine Energiequelle, die in nahezu jeder Form gedruckt werden kann – von flachen Paneelen bis hin zu komplexen dreidimensionalen Strukturen. Dank Siebdrucktechnologien können wir Batterien mit einer Dicke von nur wenigen Millimetern herstellen, die sich perfekt in Tastaturen und Bedieninterfaces integrieren lassen.

Video:
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Was ist eigentlich eine gedruckte Batterie?

Eine gedruckte Batterie ist eine elektrochemische Zelle, die mit Druckverfahren hergestellt wird. Anstatt fertige Komponenten in einem traditionellen Gehäuse zu montieren, entstehen alle Elemente der Batterie als aufeinanderfolgende Schichten, die präzise auf ein Substrat aufgebracht werden. Unser Labor verwendet dafür spezielle leitfähige Tinten und Elektrodenpasten. Jede Schicht besitzt genau definierte chemische und elektrische Eigenschaften, die zusammenwirken müssen, um eine stabile Spannungsquelle zu erzeugen. Der Prozess ähnelt dem Mehrschichtdruck, erfordert jedoch eine wesentlich höhere Präzision und Kontrolle der Materialeigenschaften.

Gedruckte Batterien besitzen ein enormes Potenzial und werden künftig in Wearables, IoT-Sensoren, intelligenten Etiketten und medizinischen Geräten eingesetzt werden. Besonders vielversprechend sind Anwendungen in der Medizin – transdermale Pflaster mit integrierten Sensoren, temporäre Implantate oder Systeme zur Überwachung von Vitalparametern. Die Flexibilität und Biokompatibilität der Materialien eröffnen neue Möglichkeiten im Design medizinischer Geräte.

Wie stellen wir unsere Batterien her?

Der Prozess beginnt mit der Herstellung spezieller Zusammensetzungen – Elektrodenpasten, leitfähiger Tinten und Elektrolyte mit genau kontrollierter Viskosität. Jedes Material muss eine doppelte Funktion erfüllen: sich beim Auftragen wie eine herkömmliche Druckfarbe verhalten und sich anschließend in eine aktive elektrochemische Komponente verwandeln.

Der nächste Schritt ist das Drucken der Zinkanode auf ein flexibles Substrat. Danach tragen wir eine Separator-Schicht auf, die den direkten Kontakt der Elektroden verhindert, aber den Ionenfluss ermöglicht. Anschließend folgt die Elektrolytschicht, und zum Schluss wird die Mangan-Kathode gedruckt.

Jede Schicht muss vollständig trocknen und sich chemisch stabilisieren, bevor die nächste aufgetragen wird. Wir kontrollieren Schichtdicke, Beschichtungs­gleichmäßigkeit und elektrische Eigenschaften in jeder Produktionsphase. Abschließend testen wir Ausgangsspannung, Kapazität und Stabilität der Batterie unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Die größte Herausforderung ist die Synchronisierung der Eigenschaften aller Schichten. Die Anode muss Elektronen abgeben, die Kathode sie aufnehmen, und der Elektrolyt muss den Ionentransport ermöglichen – und all das in einer Struktur mit nur wenigen Millimetern Dicke. Das geht weit über Standarddruck hinaus und erfordert ein tiefes Verständnis sowohl der Drucktechnologien als auch der Elektrochemie.

Das Ergebnis ist eine Energiequelle, die bereits im Produktionsprozess frei geformt werden kann. Wir müssen das Gerätedesign nicht mehr an starre Batterieabmessungen anpassen – stattdessen passen wir die Batterie an die Anforderungen des Designs an.

Wie ist eine gedruckte Batterie aufgebaut?

Unsere siebgedruckte Mangan-Zink-Batterie besteht aus mehreren präzise aufgetragenen Schichten. Die Kathode besteht aus Mangandioxid, die Anode aus Zinkpulver, und der Elektrolyt ist eine spezielle ionenleitende Paste. Jede Komponente wird als separate Schicht gedruckt und bildet zusammen eine vollständige elektrochemische Zelle.

Das Mangandioxid in der Kathode nimmt beim Entladen Elektronen auf, während der Zink in der Anode sie abgibt. Der Elektrolyt ermöglicht den Ionentransport zwischen den Elektroden und schließt den elektrischen Stromkreis. Dieser Prozess erzeugt eine Spannung von etwa 1,5 Volt – ähnlich wie bei herkömmlichen Alkalibatterien.

Die Gesamtdicke der Batterie beträgt nur wenige Millimeter, und ihre Form kann frei an die Anforderungen des Geräts angepasst werden. Diese konstruktive Flexibilität ist der größte Vorteil der gedruckten Batterietechnologie.

Welche Vorteile bieten gedruckte Energiequellen?

Gedruckte Batterien eröffnen Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Zellen nicht erreichbar sind. Vor allem können sie nahezu jede Form annehmen – von rechteckigen Paneelen bis hin zu komplexen, an ein bestimmtes Gerät angepassten Formen. Unser Christbaumschmuck mit integrierter Batterie zeigt, wie sich die Technologie in das ästhetische Design eines Produkts einfügen kann. Dies ist jedoch nur die Spitze des Eisbergs, was das Potenzial gedruckter Energiequellen betrifft.

Integration mit Elektronik
Drucktechnologien ermöglichen die direkte Integration der Batterie in elektronische Schaltungen. Anstatt eine separat gefertigte Batterie mit einer Leiterplatte zu verbinden, können wir die Energiequelle direkt auf derselben Oberfläche drucken wie die Leiterbahnen und Bauteile. Bei industriellen Tastaturen bedeutet dies die Möglichkeit, ein vollständig autonomes Interface zu schaffen – ohne externe Stromquellen oder aufwendige Verkabelung.

Anpassung der elektrischen Parameter
Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die präzise Anpassung der elektrischen Eigenschaften. Durch die Veränderung der Zusammensetzung der Elektrodenpasten, der Schichtdicken oder der Elektrodengeometrie können wir Ausgangsspannung, Kapazität und Entladekurven beeinflussen. So entstehen Batterien, die exakt auf die Anforderungen eines konkreten Geräts zugeschnitten sind – von niedriger Spannung für empfindliche Sensoren bis hin zu hoher Kapazität für den Langzeitbetrieb.

Wirtschaftlichkeit der Produktion
Die Drucktechnologie bietet auch wirtschaftliche Vorteile, insbesondere bei mittleren und großen Stückzahlen. Der Produktionsprozess ist deutlich schneller als die traditionelle Montage von Zellen, und die Möglichkeit, viele Batterien gleichzeitig auf einem Bogen zu drucken, senkt die Stückkosten drastisch. Zudem entfällt die Notwendigkeit teurer Metall- oder Kunststoffgehäuse, was zusätzliche Materialkosten spart.

Mechanische Flexibilität
Gedruckte Batterien können auf flexiblen Substraten hergestellt werden, was Anwendungen in Geräten ermöglicht, die sich während des Betriebs biegen oder verformen. Dies ist besonders wichtig bei modernen Touch-Interfaces und Wearables, bei denen eine starre Batterie die Funktionalität oder den Bedienkomfort einschränken würde.

Einschränkungen und technologische Herausforderungen

Gedruckte Batterien haben leider auch ihre Grenzen. Ihre Kapazität ist in der Regel geringer als die herkömmlicher Zellen ähnlicher Größe. Eine weitere Herausforderung ist die mechanische Haltbarkeit, insbesondere bei flexiblen Substraten. Wiederholtes Biegen kann die Elektrodenstruktur beschädigen und die Leistungsfähigkeit der Batterie verringern. Deshalb forschen wir weiter an speziellen Materialkompositionen, die Flexibilität erhalten, ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Gedruckte Batterie von Qwerty – Aufbau eines technologischen Vorsprungs

Die Grundlage für die Qualität und Zuverlässigkeit unserer Tastaturen ist das Wissen, das wir in der Praxis durch Testen, Validieren und Weiterentwickeln verfügbarer Technologien gewinnen. Wir wissen, dass das, was heute als innovatives Gadget oder technologische Spielerei gilt, morgen zur Grundlage der Konsum- und Industrieelektronik werden kann. Deshalb warten wir nicht darauf, dass sich gedruckte Energiequellen von selbst weiterentwickeln – wir treiben diese Entwicklung in unserem Labor aktiv voran. Dieser Ansatz ermöglicht es uns nicht nur, der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein und unsere führende Position in der Branche zu behaupten, sondern vor allem, unseren Kunden Lösungen anzubieten, die wirklich auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten sind.