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Elektromobilität

Batterie als Teil der Karosserie

Chalmers University of Technology, Structural Battery
Verbundwerkstoffe für strukturelle Batterien können nicht so viel Energie speichern wie Lithium-Ionen-Batterien, haben aber eine Reihe von Eigenschaften, die sie für den Einsatz in Fahrzeugen und anderen Anwendungen sehr attraktiv machen. Als Teil der tragenden Struktur »verschwindet« die Masse der Batterie im Grunde genommen.
© Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

Eine strukturelle Batterie, die sowohl mechanisch als auch elektrisch alle bisherigen Systeme deutlich übertrifft, haben Forschende der Chalmers University of Technology entwickelt. Dies könnte den Weg für eine quasi »massefreie« Energiespeicherung in Fahrzeugen und anderen Bereichen ebnen.

In heutigen Elektroautos entfällt ein Großteil des Fahrzeuggewichts auf die Batterien, ohne dass diese eine tragende Funktion übernehmen. Eine strukturelle Batterie hingegen fungiert sowohl als Stromquelle als auch als Teil der Struktur, zum Beispiel als Teil der Karosserie. Ein solcher Energiespeicher gilt als »massefrei«, weil dessen Gewicht im Grunde »verschwindet«, sobald sie Teil der tragenden Struktur wird. Mit einer solchen Art von Multifunktionsbatterie ließe sich das Gewicht eines Elektrofahrzeugs stark reduzieren.

Seit 2007 haben Forschende an der Chalmers University of Technology strukturelle Batterien entwickelt, die unter anderem aus bestimmten Arten von Kohlenstofffasern bestehen. Allerdings hat es sich bislang als schwierig erwiesen, Batterien herzustellen, die sowohl gute elektrische als auch mechanische Eigenschaften aufweisen.

Doch jetzt scheint die Entwicklung einen echten Schritt nach vorne gemacht zu haben. In Zusammenarbeit mit der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm präsentierten Forscher von Chalmers eine strukturelle Batterie mit Eigenschaften, die alles bislang Bekannte in Bezug auf elektrische Energiespeicherung, Steifheit und Belastbarkeit deutlich übertrifft.

Die Energiedichte der Batterie beträgt 24 Wh/kg, also etwa 20 Prozent der Kapazität gegenüber vergleichbaren, derzeit verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien. Da sich aber das Gesamtgewicht stark reduzieren lässt, ist weniger Energie nötig, um beispielsweise ein Elektroauto zu bewegen. Außerdem steigt durch die geringere Energiedichte die Sicherheit. Und mit einer Steifigkeit von 25 GPa kann sich die strukturelle Batterie durchaus mit vielen anderen gängigen Werkstoffen messen.

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Chalmers University of Technology, Structural Battery
Dr. Johanna Xu mit einer neu hergestellten strukturellen Batteriezelle im Verbundwerkstofflabor von Chalmers, die sie Leif Asp zeigt. Die Zelle besteht aus einer Kohlefaser-Elektrode und einer Lithium-Eisenphosphat-Elektrode, die durch ein Glasfasergewebe getrennt sind. Alles ist mit einem strukturellen Batterie-Elektrolyt für eine kombinierte mechanische und elektrische Funktion imprägniert.
© Marcus Folino/Chalmers University of Technology

»Bisherige Versuche, strukturelle Batterien zu bauen, haben zu Zellen geführt, die entweder gute mechanische oder gute elektrische Eigenschaften hatten«, erklärt Leif Asp, Professor bei Chalmers und Leiter des Projekts. »Aber in diesem Fall ist es uns gelungen, mithilfe von Kohlenstofffasern eine strukturelle Batterie zu konzipieren, die sowohl eine wettbewerbsfähige Speicherkapazität als auch Steifigkeit aufweist.«

Aufbau der strukturellen Batterie

Die vorgestellte strukturelle Batterie verwendet Kohlefaser als negative Elektrode und eine mit Lithium-Eisenphosphat beschichtete Aluminiumfolie als positive Elektrode. Die Kohlefaser fungiert als Wirtsmaterial für das Lithium und speichert so die Energie. Da Kohlefasern elektrisch leitend sind, kann auf den Einsatz von Kupfer und Silber als Leitermaterial verzichtet werden, was das Gewicht weiter reduziert. Sowohl die Kohlefaser als auch die Aluminiumfolie tragen zu den mechanischen Eigenschaften der strukturellen Batterie bei. Ein Glasfasergewebe innerhalb einer strukturellen Elektrolytmatrix dient als Separator.

Eine strukturelle Batterie, die sowohl mechanisch als auch elektrisch alle bisherigen Systeme deutlich übertrifft, haben Forschende der Chalmers University of Technology entwickelt.

Obwohl es den Forschern gelungen ist, eine strukturelle Batterie zu schaffen, die zehnmal besser ist als alle bisherigen, haben sie diese Materialien nicht gewählt, um damit Rekordwerte zu erzielen. Vielmehr wollten sie die Auswirkungen der Materialarchitektur und der Dicke des Separators untersuchen und verstehen.

75 Wh/kg und 75 GPa angestrebt

Derzeit läuft ein von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanziertes Projekt, das die Leistungsfähigkeit der strukturellen Batterie noch weiter steigern soll. Die Aluminiumfolie wird durch Kohlefaser als tragendes Material in der positiven Elektrode ersetzt, um sowohl die Steifigkeit als auch die Energiedichte zu erhöhen. Der Glasfaser-Separator wiederum wird durch eine ultradünne Variante ersetzt, was einen deutlich größeren Effekt – sowie schnellere Ladezyklen – zur Folge haben dürfte. Das neue Projekt dürfte innerhalb von zwei Jahren abgeschlossen sein.

Leif Asp, der auch dieses Projekt leitet, beziffert die mögliche Energiedichte einer solchen Batterie auf 75 Wh/kg und die Steifigkeit auf 75 GPa. Damit wäre die Batterie etwa so belastbar wie Aluminium, hätte aber im Vergleich dazu eine deutlich geringere Masse.

»Das Potenzial von strukturellen Batterien ist enorm. Wenn man sich die Unterhaltungselektronik anschaut, könnte es in wenigen Jahren durchaus möglich sein, Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder herzustellen, die nur halb so viel wiegen wie heute und viel kompakter sind«, meint Leif Asp. Und auf längere Sicht ist es durchaus denkbar, dass Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit strukturellen Batterien gebaut und betrieben werden.

Originalpublikation

Asp, L.E., et al., A Structural Battery and its Multifunctional Performance, Adv. Energy Sustainability Res., 2: 2000093. https://doi.org/10.1002/aesr.202000093


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