Wenn die Batterie zum Auto wird

Forscher der TH Chalmers haben eine strukturelle Batterie hergestellt, die zehnmal besser funktioniert als alle bisherigen Versionen. Sie enthält Kohlenstofffasern, die gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material dienen. Ihr neuester Forschungsdurchbruch ebnet den Weg für eine im Wesentlichen „masselose“ Energiespeicherung in Fahrzeugen und anderen Technologien.

Die Batterien in heutigen Elektroautos machen einen großen Teil des Fahrzeuggewichts aus, ohne eine tragende Funktion zu erfüllen. Eine Strukturbatterie hingegen ist eine Batterie, die sowohl als Stromquelle als auch als Teil der Struktur – zum Beispiel in einer Autokarosserie – funktioniert. Dies wird als „masseloser“ Energiespeicher bezeichnet, da das Gewicht der Batterie quasi verschwindet, wenn sie Teil der tragenden Struktur wird und somit das Gewicht eines Elektrofahrzeugs stark reduzieren könnte.

Die Entwicklung von Strukturbatterien an der Chalmers basiert auf jahrelanger Forschung, einschließlich früherer Entdeckungen mit bestimmten Arten von Kohlenstofffasern. Diese sind nicht nur steif und stark, sondern haben auch eine gute Fähigkeit, elektrische Energie chemisch zu speichern. Diese Arbeit wurde von Physics World als einer der zehn größten wissenschaftlichen Durchbrüche des Jahres 2018 bezeichnet. Der erste Versuch, eine strukturelle Batterie herzustellen, wurde bereits 2007 unternommen, aber es hat sich bisher als schwierig erwiesen, Batterien mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen.

Doch nun hat die Entwicklung einen echten Schritt nach vorne gemacht: Chalmers-Forscher*innen haben in Zusammenarbeit mit der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm (KTH) eine Strukturbatterie vorgestellt, deren Eigenschaften in Bezug auf elektrische Energiespeicherung, Steifigkeit und Festigkeit alles bisher Dagewesene weit übertreffen. Die multifunktionale Leistung ist zehnmal höher als bei bisherigen strukturellen Batterieprototypen.

Die Batterie hat eine Energiedichte von 24 Wh/kg, was etwa zwanzig Prozent der Kapazität von vergleichbaren, derzeit erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien entspricht. Da sie aber das Gewicht stark reduzieren kann, wird weniger Energie benötigt, um z.B. ein Elektroauto anzutreiben, und die geringere Energiedichte führt auch zu einer höheren Sicherheit. Und mit einer Steifigkeit von 25 GPa kann die Strukturbatterie tatsächlich mit vielen anderen gängigen Baumaterialien konkurrieren.

„Frühere Versuche, strukturelle Batterien herzustellen, haben zu Zellen geführt, die entweder gute mechanische Eigenschaften oder gute elektrische Eigenschaften haben. Aber hier ist es uns gelungen, mit Hilfe von Kohlenstofffasern eine strukturelle Batterie zu entwerfen, die sowohl eine konkurrenzfähige Energiespeicherkapazität als auch Steifigkeit aufweist“, erklärt Leif Asp, Professor bei Chalmers und Leiter des Projekts.

Superleichte Elektrofahrräder und Unterhaltungselektronik könnten bald Realität werden

Die neue Batterie hat eine negative Elektrode aus Kohlefaser und eine positive Elektrode aus einer mit Lithium-Eisenphosphat beschichteten Aluminiumfolie. Sie sind durch ein Glasfasergewebe in einer Elektrolytmatrix getrennt. Obwohl es den Forschern gelungen ist, eine strukturelle Batterie zu schaffen, die zehnmal besser ist als alle bisherigen, haben sie die Materialien nicht gewählt, um Rekorde zu brechen – vielmehr wollten sie die Auswirkungen der Materialarchitektur und der Separatordicke untersuchen und verstehen.

Jetzt läuft ein neues, von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanziertes Projekt, bei dem die Leistung der strukturellen Batterie noch weiter gesteigert werden soll. Die Aluminiumfolie wird durch Kohlefaser als tragendes Material in der positiven Elektrode ersetzt, wodurch sowohl die Steifigkeit als auch die Energiedichte erhöht werden. Der Glasfaser-Separator wird durch eine ultradünne Variante ersetzt, die einen deutlich größeren Effekt – und auch schnellere Ladezyklen – ermöglicht. Das neue Projekt wird voraussichtlich innerhalb von zwei Jahren abgeschlossen sein.

MasseloseBatterie_ChalmersTH
Die strukturellen Batteriezellen sind besonders in Anwendungsfällen interessant, wo Gewichtsreduktion ein großes Plus ist. (Quelle: Chalmers, M. Folino)

Leif Asp, der auch dieses Projekt leitet, schätzt, dass eine solche Batterie eine Energiedichte von 75 Wh/kg und eine Steifigkeit von 75 GPa erreichen könnte. Damit wäre die Batterie etwa so stark wie Aluminium, hätte aber ein vergleichsweise viel geringeres Gewicht. „Die nächste Generation struktureller Batterien hat ein fantastisches Potenzial. Wenn man sich die Verbrauchertechnologie anschaut, könnte es innerhalb weniger Jahre durchaus möglich sein, Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder herzustellen, die nur halb so viel wiegen wie heute und viel kompakter sind“, sagt Asp.

Und längerfristig ist es durchaus denkbar, dass Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit strukturellen Batterien konstruiert und betrieben werden. „Wir sind hier wirklich nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt. Wir haben im Zusammenhang mit der Veröffentlichung unserer wissenschaftlichen Artikel auf diesem Gebiet viel Aufmerksamkeit von vielen verschiedenen Unternehmen erhalten. Es gibt verständlicherweise ein großes Interesse an diesen leichten, multifunktionalen Materialien“, sagt Asp. (Quelle: Chalmers)

Referenz: L. E. Asp et al.: A Structural Battery and its Multifunctional Performance, Adv. En. Sust. Res., 2 (3), March 2021; DOI: 10.1002/aesr.202000093

Bild: Dr. Johanna Xu mit einer neu hergestellten strukturellen Batteriezelle im Verbundlabor von Chalmers, die sie Prof. Leif Asp zeigt. Die Zelle besteht aus einer Kohlefaserelektrode und einer Lithium-Eisenphosphat-Elektrode, die durch ein Glasfasergewebe getrennt sind. Das Ganze ist mit einem strukturellen Batterieelektrolyt für eine kombinierte mechanische und elektrische Funktion imprägniert. (Quelle: Chalmers, M. Folino)

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