Schwedische Forscher: Fortschritte bei „Strukturbatterie“

Wissenschaftler der zwei großen technischen Universitäten Schwedens haben eine strukturelle Batterie entwickelt, die zehnmal besser sein soll als alle früheren Versionen. Sie enthält Kohlefasern, die gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material dienen. Bereits 2018 meldeten die Schweden erste Erfolge dieses Ansatzes.

Als „Strukturbatterie“ werden Batterien bezeichnet, die sowohl als Energiequelle als auch als Teil der Struktur – zum Beispiel in einer Autokarosserie – agieren. Der Hauptvorteil: Dadurch, dass sie „tragende“ Aufgaben übernimmt, relativiert sich ihr Gewicht. Zunächst könnte die neuartige Batterie in Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder zum Einsatz kommen. Längerfristig ist nach Angaben der Projektbeteiligten aber auch der Einsatz in Elektroautos, -flugzeugen oder Satelliten möglich.

Das Projekt wird von der Chalmers University of Technology und der KTH Royal Institute of Technology gemeinsam gestemmt und über das Forschungsprogramm Clean Sky II der Europäischen Kommission sowie durch die US Airforce finanziert. Zum aktuellen Stand der Forschung vermeldet die Chalmers University, dass die Batterie eine Energiedichte von 24 Wh/kg und eine Steifigkeit von 25 GPa aufweise. „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“, äußert Leif Asp, Professor bei Chalmers und Leiter des Projekts.

Und so ist der neuartige Akku aufgebaut: Die Strukturbatterie verwendet Kohlenstofffasern als negative Elektrode und eine mit Lithiumeisenphosphat beschichtete Aluminiumfolie als positive Elektrode. Die Kohlenstofffaser fungiert als Wirt für das Lithium und speichert so die Energie. „Da die Kohlefaser auch Elektronen leitet, kann auf Kupfer- und Silberleiter verzichtet werden, was das Gewicht noch weiter reduziert“, heißt es in einer Mitteilung der Chalmers University. Sowohl die Kohlefaser als auch die Aluminiumfolie trügen zu den mechanischen Eigenschaften der Strukturbatterie bei. Die beiden Elektrodenmaterialien werden durch ein Glasfasergewebe in einer Strukturelektrolytmatrix getrennt gehalten. Die Aufgabe des Elektrolyten ist es, die Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden der Batterie zu transportieren, aber auch die mechanischen Belastungen zwischen den Kohlenstofffasern und anderen Teilen zu übertragen.

Laut den Projektbeteiligten gibt es bei dem Ansatz noch viel Potenzial: Ein neues, von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanziertes Projekt sei bereits angelaufen, 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“, heißt es dazu.

Das neue Projekt wird voraussichtlich innerhalb von zwei Jahren abgeschlossen sein. Leif Asp, der auch dieses Projekt leitet, schätzt, dass eine Energiedichte von 75 Wh/kg und eine Steifigkeit von 75 GPa erreicht werden könnte. Damit wäre die Batterie laut der Mitteilung 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 Leif Asp. Und längerfristig sei es durchaus denkbar, dass Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten mit strukturellen Batterien konstruiert und betrieben werden.
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