Forscher der Chalmers University of Technology 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. Mit dem neusten Forschungsdurchbruch ebne man den Weg für eine im Wesentlichen „masselose“ Energiespeicherung im Elektroauto.
Entscheidend ist vorab zu verstehen, dass im Artikel zwischen der klassischen Batterie unterschieden wird, welche in der Regel im Fahrzeugboden verbaut ist, sowie der sogenannten Strukturbatterie. Eine Strukturbatterie ist eine Batterie, die sowohl als Energiequelle als auch als Teil der Struktur – zum Beispiel in einer Autokarosserie – funktioniert. Dies wird als „masseloser“ Energiespeicher bezeichnet, zurückzuführen darauf, dass das Gewicht der Batterie im Grunde genommen verschwindet, wenn sie Teil der tragenden Struktur wird. Folgerichtig lässt sich somit das Gewicht eines E-Autos stark reduzieren, wenn diese Teil der Karosserie wird.
An der Chalmers University of Technology konzentriert man sich bereits einige Jahre auf die Forschung der Strukturbatterien, welche teilweise auf bestimmte Arten von Kohlenstofffasern zurückgreifen. Diese sind nicht nur steif und stark, sondern haben auch eine gute Fähigkeit, elektrische Energie chemisch zu speichern. 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.
Forscher von Chalmers konnten in Zusammenarbeit mit der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm (KTH) Fortschritte bei der Strukturbatterie erzielen. So habe man eine Strukturbatterie vorgestellt, deren Eigenschaften in Bezug auf elektrische Energiespeicherung, Steifigkeit und Festigkeit alles bisher Dagewesene weit übertreffe. „Ihre multifunktionale Leistung ist zehnmal höher als bei bisherigen strukturellen Batterieprototypen“, so die Universität in der entsprechenden Mitteilung.
Die Strukturbatterie profitiert hierbei vom Zusammenspiel verschiedener Faktoren. Die Batterie hat eine Energiedichte von 24 Wh/kg, das sind rund 20 Prozent im Verhältnis zu vergleichbaren derzeit erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien. Kombiniert mit der Tatsache, dass das Fahrzeuggewicht stark reduziert wird, wird weniger Energie benötigt, um ein Elektroauto anzutreiben, und die geringere Energiedichte führt auch zu einer höheren Sicherheit. Zudem können die Batterie mit einer Steifigkeit von 25 GPa mit vielen anderen gängigen Materialien 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.“ – Leif Asp, Professor bei Chalmers und Leiter des Projekts
In einem von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanzierten Projekt, wolle man die Leistung der Strukturbatterie noch weiter steigern. 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. Damit wäre die Batterie etwa so stark wie Aluminium, hätte aber ein vergleichsweise viel geringeres Gewicht.
„Die strukturelle Batterie der nächsten Generation hat 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 Leif Asp. Und längerfristig ist es durchaus denkbar, dass Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit strukturellen Batterien konstruiert und betrieben werden.
Erst im vergangenen Jahr hat Tesla, im Rahmen seines Battery Day erstmalig darauf aufmerksam gemacht, dass Strukturbatterien in E-Fahrzeuge Einzug halten können. Bis wann Tesla ein serienreifes Fahrzeug mit dieser Technologie auf die Straße bringt oder die Chalmers University of Technology entsprechende, serienreife Fortschritte vorweisen kann, gilt es abzuwarten.
Quelle: Chalmers University of Technology – Big breakthrough for ’massless’ energy storage
