Schwedische Forscher erzielen Durchbruch bei struktureller, quasi masseloser Batterie für Elektroautos oder Flugzeuge

Die jetzt vorgestellte Strukturbatterie besteht aus Kohlenstofffasern und ist zehnmal besser als bisherige, masselose Varianten.

In der Batterie-Forschung werden sehr oft Durchbrüche vermeldet, die bei genauerer Betrachtung reines Marketing sind. Jetzt ist Forschern der Chalmers University of Technology aber ein echter, großer Durchbruch gelungen, der elektrifiziertes Fliegen eines Tages ermöglichen könnte. Die Forscher haben eine strukturelle Batterie entwickelt, die zehnmal besser funktioniert als alle bisherigen Varianten. Der Clou: Kohlenstofffasern dienen gleichzeitig als Elektrode, Leiter und tragendes Material – dadurch könnte im Wesentlichen „masselose“ Energiespeicherung im Auto oder Flugzeug möglich werden.

Der Begriff „Strukturelle Batterie“ bezieht sich auf einen Energiespeicher, der als Teil einer Struktur auch ein Gewicht tragen kann – so als ob die tragenden Säulen eines Hauses alle auch gleichzeitig Batterien wären. Es geht in die Richtung, die Elon Musk am Battery Day 2020 vorgestellt hatte: Das Batteriesystem soll gleichzeitig Teil des Fahrzeugunterbodens werden.

Die Batterien heutiger Elektroautos machen einen großen Teil des Fahrzeuggewichts aus, erfüllen aber zumeist keine tragende Funktion. 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 das Gewicht der Batterie quasi verschwindet, wenn sie Teil der tragenden Struktur wird. Berechnungen zeigen, dass eine solche multifunktionale, strukturelle Batterie das Gewicht stark reduzieren könnte.

Die Forscher der beiden schwedischen Universitäten, Chalmers und KTH, haben in einer Veröffentlichung gezeigt, wie ihre „masselose“, strukturelle Batterie funktioniert. Um die Strukturbatterie herzustellen, schichteten die Wissenschaftler ein Pufferglas-„Gewebe“ zwischen eine positive und negative Elektrode, kombinierten es dann mit einem weltraumtauglichen Polymerelektrolyten und härteten es im Ofen aus. Das Ergebnis ist eine robuste, flache Batteriezelle, die gut leitet und Zugtests in alle Richtungen standhält. Die Multifunktionalität der Batterie macht sie 10-mal besser als jede bisherige masselose Batterie – ein Projekt, an dem die Wissenschaftler seit 2007 gearbeitet haben.

Die Batterie hat eine Energiedichte von 24 Wattstunden pro Kilogramm, was deutlich weniger ist im Vergleich zu derzeit erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien (ca. 20 Prozent).

„Frühere Versuche, strukturelle Batterien herzustellen, haben zu Zellen geführt, die entweder gute mechanische Eigenschaften oder gute elektrische Eigenschaften haben. Aber hier, unter Verwendung von Kohlenstofffasern, ist es uns gelungen, eine strukturelle Batterie zu entwerfen, die sowohl eine konkurrenzfähige Energiespeicherkapazität als auch Steifigkeit aufweist“, erklärt Leif Asp, Professor an der Chalmers University und Leiter des Projekts.

Da das Gewicht der Fahrzeuge stark reduziert werden kann, wird weniger Energie benötigt, um beispielsweise ein Elektroauto anzutreiben, und die geringere Energiedichte führt auch zu einer höheren Sicherheit. Und mit einer Steifigkeit von 25 GPa kann die Strukturbatterie wirklich mit vielen anderen, gängigen Konstruktionsmaterialien mithalten.

Der Hauptanwendungsfall für die „masselose“ Strukturbatterie sind Elektroautos, bei denen eine große Anzahl Batterien viel Platz beansprucht, sie aber bislang nicht zur eigentlichen Struktur des Autos beiträgt. In der Tat müssen diese Autos speziell konstruiert werden, um die Masse der Batterien zu tragen.

Was aber, wenn der Rahmen des Autos Energie aufnehmen könnte? „Aufgrund ihrer Multifunktionalität werden strukturelle Batterieverbunde oft als ‚masselose Energiespeicher‘ bezeichnet und haben das Potenzial, das zukünftige Design von Elektrofahrzeugen und -geräten zu revolutionieren“, erklären die Forscher.

Ziel: Leistung der Strukturbatterie verbessern

Aus Sicht der WIssenschaftler besteht der nächste Schritt nun darin, die Leistung der Strukturbatterie weiter zu verbessern. Dazu wird die Aluminiumfolie in der Elektrode durch Kohlefasermaterial ersetzet und der Separator ausgedünnt. Dies könnte zu einer Batterie führen, die 75 Wattstunden pro Kilogramm Energie und 75 GPa Steifigkeit erreicht. Das wäre ein weiterer Rekord für strukturelle Batterien – und könnte das Gewicht weiter senken.

„Die strukturelle Batterie der nächsten Generation hat fantastisches Potenzial. Wenn man sich die Verbrauchertechnologie anschaut, könnte es durchaus möglich sein, innerhalb weniger Jahre Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder herzustellen, die nur halb so viel wiegen wie heute und viel kompakter sind“, sagt Leif Asp.

Neben Elektroautos nennt das Forscherteam auch E-Bikes, Satelliten und Laptops als Technologien, die masselose Batterien nutzen könnten. Es könnte noch weitere Anwendungen geben, die wir heute noch gar nicht als elektrisch ansehen. Eine der aufregendsten potenziellen Anwendungen ist die Verwendung in Flugzeugen, die Wissenschaftler aufgrund des enormen Gewichts der bestehenden Batterietechnologie nur schwer elektrisch machen können.

Sowohl gewöhnliche Flugzeuge als auch senkrecht startende und landende Fahrzeuge könnten durch den Einsatz masseloser Batterien elektrisch werden. Denkbar ist es sogar, masselose Strukturbatterien mit Solarzellen zu kombinieren, um die elektrische Solarenergie für eine spätere Verwendung zu speichern.