22.03.2021 15:19 |

Neue Strukturbatterie

Forscher stellen „masselosen“ Energiespeicher vor

Wissenschaftler der Technischen Hochschule Chalmers im schwedischen Göteborg haben eine neue Strukturbatterie auf Basis von Kohlestofffasern entwickelt, die gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material dienen. Der Forschungsdurchbruch ebne den Weg für eine im Wesentlichen „masselose“ Energiespeicherung in Fahrzeugen und anderen Technologien, so die Hochschule in einer Mitteilung.

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 Energiequelle als auch als Teil der Struktur - zum Beispiel in einer Autokarosserie - funktioniert. Man spricht daher auch von einem „masselosen“ Energiespeicher, da das Gewicht der Batterie im Grunde genommen verschwindet, wenn sie Teil der tragenden Struktur wird. Berechnungen zeigen, dass diese Art von multifunktionaler Batterie das Gewicht eines Elektrofahrzeugs stark reduzieren könnte.

„Übertrifft alles bisher Dagewesene“
Der erste Versuch, eine strukturelle Batterie herzustellen, wurde bereits 2007 unternommen, es erwies sich bislang jedoch als schwierig, Batterien mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen. Die Chalmers-Forscher wollen nun in Zusammenarbeit mit der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm einen bedeutenden Schritt nach vorne in der Entwicklung gemacht haben. Sie stellten eine Strukturbatterie vor, deren Eigenschaften in Bezug auf elektrische Energiespeicherung, Steifigkeit und Festigkeit „alles bisher Dagewesene weit übertreffen“ sollen. Ihre multifunktionale Leistung ist demnach zehnmal höher als bei bisherigen strukturellen Batterieprototypen.

„Die Batterie hat eine Energiedichte von 24 Wh/kg, was etwa 20 Prozent mehr Kapazität bedeutet als vergleichbare, derzeit erhältliche Lithium-Ionen-Batterien“, teilte die Hochschule mit. „Da das Gewicht stark reduziert werden kann, wird weniger Energie benötigt, um zum Beispiel ein Elektroauto anzutreiben, und die geringere Energiedichte führt auch zu einer höheren Sicherheit. Und mit einer Steifigkeit von 25 Gpa (Gigapascal, Anm.) 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, mithilfe von Kohlenstofffasern eine strukturelle Batterie zu entwerfen, die sowohl eine konkurrenzfähige Energiespeicherkapazität als auch Steifigkeit aufweist“, erklärte Projektleiter Leif Asp.

„Fantastisches Potenzial“
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. In einem von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanzierten Projekt soll die Leistung der Strukturbatterie binnen der nächsten zwei Jahre nun noch weiter gesteigert werden, indem die Aluminiumfolie durch Kohlefaser als tragendes Material in der positiven Elektrode ersetzt wird, wodurch sowohl die Steifigkeit als auch die Energiedichte erhöht werden sollen. Der Glasfaser-Separator soll durch eine ultradünne Variante ersetzt werden, die einen deutlich größeren Effekt - und auch schnellere Ladezyklen - ermöglichen soll.

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 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“, so Asp. Längerfristig sei es durchaus denkbar, dass Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit strukturellen Batterien konstruiert und betrieben werden könnten. „Wir sind hier wirklich nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt“, sagte der Forscher.

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