„Masseloser“ Stromspeicher: Forschung erzielt Durchbruch bei Strukturbatterie

Zu sehen ist der schematische Aufbau einer Strukturbatterie und die Anwendungen wie E-Fahrrad, E-Auto oder E-Flugzeug.Foto: Yen Strandqvist / Chalmers University of Technology
Das Prinzip der Strukturbatterie: Wenn die Batterie Teil der tragenden Struktur wird, verschwindet die Masse der Batterie im Wesentlichen. Foto: Yen Strandqvist / Chalmers University of Technology
Forscherinnen und Forscher der schwedischen Chalmers University of Technology haben eine Strukturbatterie hergestellt, die zehnmal besser als alle früheren Versionen ist. Der Aufbau enthält Kohlenstofffasern, die gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material dienen.

Die Batterien heutiger 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 fungiert – beispielsweise in einer Karosserie. Dieses bezeichnet die Wissenschaft als „masseloser“ Energiespeicher. Denn das Gewicht der Batterie verschwindet im Wesentlichen, wenn sie Teil der tragenden Struktur ist. Berechnungen zeigen, dass diese Art von multifunktionaler Batterie das Gewicht eines Elektrofahrzeugs erheblich reduzieren kann.

Die Entwicklung von Strukturbatterien haben Forschende an der Chalmers University of Technology über viele Jahre hinweg erforscht, einschließlich früherer Entdeckungen mit bestimmten Arten von Kohlenstofffasern. Sie sind nicht nur steif und stark, sondern können auch elektrische Energie chemisch speichern. Jetzt hat die Entwicklung mit Forscher:innen von Chalmers in Zusammenarbeit mit dem Royal Institute of Technology des KTH in Stockholm einen echten Schritt nach vorne gemacht und eine Strukturbatterie vorgestellt, deren Eigenschaften hinsichtlich Speicherung, Steifigkeit und Festigkeit der elektrischen Energie weit über den bisher beobachteten Werten liegen. Die multifunktionale Leistung ist zehnmal höher als bei früheren strukturellen Batterieprototypen.

Die Batterie hat eine Energiedichte von 24 Wh/kg, was einer Kapazität von ungefähr 20 Prozent im Vergleich zu vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterien entspricht, die derzeit erhältlich sind. Da jedoch das Gewicht der Fahrzeuge stark reduziert werden kann, wird zum Fahren eines solchen Elektroautos weniger Energie benötigt. Zudem führt eine geringere Energiedichte auch zu einer erhöhten Sicherheit. Mit einer Steifigkeit von 25 GPa kann die Strukturbatterie mit vielen anderen häufig verwendeten Baumaterialien mithalten. „Frühere Versuche, Strukturbatterien herzustellen, haben zu Zellen mit entweder guten mechanischen oder guten elektrischen Eigenschaften geführt. Hier ist es uns jedoch gelungen, mithilfe von Kohlefasern eine Strukturbatterie mit wettbewerbsfähiger Energiespeicherkapazität und Steifigkeit zu entwickeln “, erklärt Leif Asp, Professor bei Chalmers und Projektleiter.

Superleichte Elektrofahrzeuge könnten Realität werden

Die neue Batterie hat eine negative Elektrode aus Kohlefaser und eine positive Elektrode aus einer mit Lithiumeisenphosphat beschichteten Aluminiumfolie. Sie sind durch ein Glasfasergewebe in einer Elektrolytmatrix getrennt. Jetzt läuft ein neues Projekt, das die schwedische Weltraumbehörde finanziert und bei dem man die Leistung der Strukturbatterie noch weiter steigert will. Die Aluminiumfolie wird durch Kohlefaser als tragendes Material in der positiven Elektrode ersetzt, was sowohl eine erhöhte Steifigkeit als auch eine erhöhte Energiedichte bietet. Der Glasfaserabscheider wird durch eine ultradünne Variante ersetzt, die eine viel größere Wirkung erzielt – sowie schnellere Ladezyklen. Das neue Projekt wird voraussichtlich innerhalb von zwei Jahren abgeschlossen sein.

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. Dies würde die Batterie ungefähr so stark wie Aluminium machen, aber mit einem vergleichsweise viel geringeren Gewicht. „Die Strukturbatterie der nächsten Generation hat ein fantastisches Potenzial. Wenn man sich die Verbrauchertechnologie ansieht, könnte es innerhalb weniger Jahre durchaus möglich sein, Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder herzustellen, die halb so schwer sind wie heute und viel kompakter “, sagt Leif Asp. Langfristig ist es durchaus denkbar, dass man Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit Strukturbatterien konstruiert und mit diesen betreibt.

23.3.2021 | Quelle: Chalmers University of Technology | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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