Mini-Akkus für Medizinprodukte
Teils nur wenige Millimeter Durchmesser, aber technisch kein Kleinkram: Im Forschungsprojekt „Medicell“ sollen wiederaufladbare Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen für tragbare Medizintechnik entstehen. Das Land Baden-Württemberg fördert das Vorhaben mit rund acht Millionen Euro, die Laufzeit beträgt drei Jahre. Beteiligt sind ZSW, KIT, Fraunhofer IPA und VARTA Microbattery aus Ellwangen.
Wenn der Batteriewechsel zum Konstruktionsproblem wird
Hörgeräte, kontinuierliche Insulinpumpen und Systeme zur Glukosemessung gehören zu jenen Anwendungen, bei denen die Energieversorgung im Alltag ziemlich banal wirkt. Batterie rein, Gerät läuft. Nur ist genau diese Banalität aus Ingenieursicht ein Problem. Millionen tragbarer Medizingeräte arbeiten heute mit kleinen Einwegbatterien. Das bedeutet regelmäßigen Wechsel, Materialverbrauch und Abfall. „Medicell“ setzt an dieser Stelle an: Die Zellen sollen wiederaufladbar sein und längere Laufzeiten ermöglichen.
Die Aufgabe klingt zunächst nach Miniaturisierung. Tatsächlich geht es um mehr. Eine Lithium-Ionen-Zelle im Format medizinischer Kleinstanwendungen muss hohe Energiedichte, reproduzierbare Fertigung und Sicherheitsanforderungen zusammenbringen. Viel Platz für Toleranzen gibt es da nicht. Was bei größeren Zellformaten über Prozessfenster abgefangen werden kann, schrumpft hier mit. Ein Beschichtungsfehler ist nicht kleiner, nur weil die Zelle kleiner ist. Er fällt eher schneller ins Gewicht.
Das ZSW beschreibt den Ansatz als Verbindung zweier Technologiewelten: Erfahrungen aus kommerziellen Hörgerätebatterien treffen auf Batterieforschung, wie sie auch aus der Elektromobilität bekannt ist. Erstmals sollen in diesem Zellformat neuartige siliziumhaltige Anoden zum Einsatz kommen. Für die sehr kleinen Bauformen müssten nahezu alle Fertigungsschritte neu entwickelt werden, sagt Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Batterieexpertin und Senior Advisor am ZSW.
Silizium-Kohlenstoff-Anoden, NMC-Kathoden, dünne Schichten
Der technische Kern liegt bei den Materialien und ihrer Verarbeitung. Das ZSW koordiniert das Projekt und entwickelt nach eigenen Angaben Materialien sowie wesentliche Fertigungsprozesse für die neuen Zellformate. Untersucht werden dabei die Beziehungen zwischen Materialeigenschaften, Prozessparametern und Zellleistung. Das ist der nüchterne Teil der Batterieforschung. Und meistens der härtere.
Ein Schwerpunkt liegt auf Misch- und Beschichtungsverfahren für energiereiche Silizium-Kohlenstoff-Anoden. Ziel sind ultradünne Elektroden mit konstanter Dicke. Parallel arbeitet das ZSW an NMC-Kathoden mit hohem Energieinhalt und angepasster Mikrostruktur. Dabei geht es nicht nur um möglichst viel gespeicherte Energie, sondern auch um Handhabbarkeit und Sicherheit der Materialien in einem Herstellungsprozess, der später nicht im Labor stecken bleiben soll.
Für die Materialentwicklung nutzt das ZSW unter anderem die Pilotanlage „Powder-Up!“ in Ulm. Dort können Batteriematerialien in industrienahen Mengen hergestellt werden. Laut ZSW sind Chargen von zehn bis hundert Kilogramm möglich. Für ein Forschungsprojekt ist das eine wichtige Größenordnung, weil sich viele Batteriematerialien im Labormaßstab manierlich benehmen und erst bei größeren Mengen zeigen, ob sie im Prozess zicken.
Das KIT übernimmt im Projekt insbesondere Fragen der Elektrodentrocknung und Kalandrierung. Beides ist für hohe Energieinhalte kein Nebenschauplatz. Trocknung beeinflusst Struktur, Restfeuchte und Prozessstabilität. Kalandrierung entscheidet mit darüber, wie dicht das Elektrodengefüge wird und wie sich Ionen später durch diese Struktur bewegen können. Fraunhofer IPA entwickelt gemeinsam mit VARTA Microbattery die Bedingungen für die Befüllung der Zellen mit Elektrolyt, von der Vakuumierung bis zur präzisen Dosierung.
Der schwierige Weg aus dem Labor
Die spätere Zellmontage verlangt eine Fertigung, die nicht bloß klein, sondern stabil klein ist. Das Projekt nennt Elektrolytdosierung, adaptive Laserprozesse, Mikroschweißen, Echtzeitkorrekturen und eine vollautomatische Dichtigkeitsprüfung als notwendige Schritte. Für Medizinprodukte reicht es eben nicht, dass eine Zelle im Versuch funktioniert. Sie muss wiederholbar funktionieren. Und sie muss dicht bleiben.
Die Industrialisierung ist deshalb von Beginn an Teil des Projekts. Komponenten sollen bei den wissenschaftlichen Partnern vorentwickelt und anschließend auf den Pilotlinien des ZSW gefertigt werden. Die industrielle Validierung ist auf Produktionsanlagen von VARTA Microbattery in Ellwangen vorgesehen. Nach Angaben des ZSW ist VARTA Microbattery ein weltweit führender kommerzieller Hersteller von Hörgerätebatterien.
Für Baden-Württemberg ist „Medicell“ damit mehr als ein Medizintechnikprojekt. Das Wirtschaftsministerium ordnet Batteriezellen ausdrücklich als Schlüsseltechnologie für industrielle Wertschöpfung ein. Ministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut verbindet das Vorhaben mit regionaler und europäischer technologischer Souveränität. Politisch klingt das groß. Technisch muss es sich an kleinsten Schichtdicken, sauberen Prozessfenstern und am Übergang von der Pilotlinie zur Serie messen lassen.
Das ZSW bringt dafür eine gewachsene Infrastruktur mit. Die Forschungsproduktionslinie für Lithium-Ionen-Zellen ist seit 2014 in Betrieb und ermöglicht nach Institutsangaben die Herstellung großformatiger Zellen bis 100 Amperestunden unter industrienahen Bedingungen. Seit 2024 ergänzt „Powder-Up!“ diese Umgebung im Ulmer Science Park. Für „Medicell“ zählt nun nicht Größe, sondern Präzision in der Miniatur. Das ist keine geringere Disziplin. Nur eine engere.
