Forschende der schwedischen Chalmers University of Technology haben eine Batterie entwickelt, die besser funktioniert als alle bisherigen Versionen. Sie enthält Kohlenstofffasern, die gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material dienen. Der Forschungsdurchbruch ebnet nach Einschätzung der Forschenden den Weg für eine im Wesentlichen „masselose“ Energiespeicherung in Fahrzeugen und anderen Technologien.
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, da die Batterie kein zusätzliches Gewicht verursacht, wenn sie Teil der tragenden Struktur wird. Berechnungen zeigen, dass diese Art von multifunktionaler Batterie das Gewicht eines Elektrofahrzeugs stark reduzieren könnte.
Die Eigenschaften der neuentwickelten Strukturbatterie übertreffen den Angaben zufolge in Bezug auf elektrische Energiespeicherung, Steifigkeit und Festigkeit den bisherigen Stand der Technik bei weitem. Ihre multifunktionale Leistung ist zehnmal höher als bei bisherigen strukturellen Batterieprototypen.
Die Strukturbatterie hat eine Energiedichte von 24 Wh/kg, was etwa 20 Prozent mehr Kapazität bedeutet als bei vergleichbaren, derzeit erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien. Da das Gewicht stark reduziert werden kann, wird zudem weniger Energie für den Antrieb benötigt und die geringere Energiedichte führt außerdem 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.“
Leif Asp, Professor bei Chalmers und Leiter des Projekts.
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.
Derzeit läuft ein neues, von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanziertes Projekt, bei dem die Leistung der Strukturbatterie 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. Leif Asp 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 stabil wie Aluminium, hätte aber ein vergleichsweise viel geringeres Gewicht.
Die strukturelle Batterie der nächsten Generation haben damit ein hohes Potenzial. So könne es innerhalb weniger Jahre möglich sein, Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder herzustellen, die nur halb so viel wiegen wie heute und viel kompakter seien. Und längerfristig sei es durchaus auch denkbar, dass Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit strukturellen Batterien konstruiert und betrieben werden.
Bild oben: 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. (Quelle: Marcus Folino)
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, chemie.de
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