hier Basicthinking 26. Sep 2024 geschrieben von Felix Baumann
Forscher haben eine neuartige Strukturbatterie entwickelt, die deutlich leichter sein soll als klassische Batterien. Sie könnte nicht nur das Gewicht von technischen Geräten halbieren, sondern auch die Reichweite von E-Autos um bis zu 70 Prozent erhöhen.
Forscher der Chalmers University of Technology haben eine neuartige Batterie entwickelt, die aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen besteht. Diese Strukturbatterie sei nicht nur äußerst energieeffizient, sondern auch so stabil wie Aluminium. Gleichzeitig soll sie ein geringes Gewicht aufweisen, was sie für kommerzielle Anwendungen interessant macht.
Das Besondere an der Technologie ist, dass sie als tragende Struktur und gleichzeitig als Energiespeicher fungiert. Wenn Fahrzeuge, Flugzeuge oder auch Elektronikgeräte aus dem Strukturmaterial gebaut werden würden, könnten sowohl das Gewicht als auch der Energieverbrauch drastisch sinken.
Wie funktioniert die Strukturbatterie?
Das Konzept basiert auf einem Kompositmaterial, bei dem die Kohlefaser sowohl als positive als auch als negative Elektrode fungiert. In der Anode verstärkt sie das Material und dient gleichzeitig als Stromsammler sowie aktives Material. In der Kathode fungiert sie als Gerüst für das Lithium und als Stromleiter.
Diese multifunktionalen Eigenschaften ermöglichen es, den Bedarf an schweren Metallen wie Kupfer oder Aluminium zu reduzieren und das Gesamtgewicht zu senken. Den Forschern zufolge kann die Strukturbatterie sogar die Reichweite von Elektroautos um bis zu 70 Prozent zu steigern.
Die Technologie hat großes Potenzial für die Zukunft
Seit 2018 forschen die Wissenschaftler an der Technologie und erzielten enorme Fortschritte. Denn mittlerweile beträgt die Energiedichte der Batterie nur noch 30 Wattstunden pro Kilogramm. Das ist zwar weniger als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Die Vorteile liegen jedoch in der Gewichtsreduktion. Weniger Gewicht bedeutet nämlich weniger Energiebedarf, was die Effizienz von Elektrofahrzeugen erheblich steigern könnte.
Die Technologie steht noch am Anfang ihrer kommerziellen Nutzung. Doch die Möglichkeiten erscheinen vielversprechend. Leichte und energieeffiziente Fahrzeuge, die mit der Strukturbatterie betrieben werden, könnten sogar die Norm werden. Die Erkenntnisse könnten dann auch zu ultradünne Smartphones und Laptops führen. Die Herausforderung besteht nun darin, die Batterie in größerem Maßstab zu produzieren und die erforderlichen Investitionen einzusammeln.
hier Futurezone Artikel von Philipp Rall •26.9.24
Elektroautos: Revolutionäre Batterie könnte Rekord-Reichweiten bringen
Elektroautos sind heute mehr als nur eine Alternative zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Sie stehen im Zentrum globaler Bemühungen um eine nachhaltige Mobilität und den Übergang zu umweltfreundlicheren Technologien. Neben staatlichen Förderungen und dem Ausbau der Ladeinfrastruktur bringen stetig neue Technologien die Branche rasant voran. Strukturbatterien sind die jüngste Errungenschaft in diesem Bereich.
Strukturbatterien für Elektroautos
Strukturbatterien stellen einen Durchbruch in der Energiespeicherung dar, da sie die Funktionen der Energiespeicherung und der mechanischen Lastenübernahme kombinieren. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die separat vom Fahrzeugaufbau untergebracht sind, werden diese Batterien direkt in die Fahrzeugstruktur integriert. Diese Innovation hat das Potenzial, das Fahrzeuggewicht deutlich zu reduzieren und die Gesamteffizienz, insbesondere in Elektroautos, zu erhöhen.
Richa Chaudhary und weitere Forscher*innen von der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden haben die neuartige Batterie entwickelt. Ihre entsprechende Forschungsarbeit veröffentlichten sie im Fachjournal Advanced Materials. Dabei erklärten die Forschenden mitunter, was ihren neuen Ansatz so besonders macht.
Kohlenstofffasern spielen bei der Entwicklung dieser Strukturbatterien eine entscheidende Rolle. Sie bieten hervorragende elektrochemische Eigenschaften und mechanische Festigkeit, wodurch sie sowohl für die Energiespeicherung als auch für die strukturelle Unterstützung ideal sind. In jüngsten Fortschritten werden Kohlenstofffasern sowohl als negative als auch als positive Elektroden in der Batterie verwendet. Mit Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) beschichtete Kohlenstofffasern dienen als positive Elektrode, während unbeschichtete Kohlenstofffasern die negative Elektrode bilden.
Beispiellose Fähigkeiten
Eine der Hauptherausforderungen bei Strukturbatterien für Elektroautos besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte und mechanischer Leistung zu halten.
Bei diesem neuesten Modell erreichte die Batterie eine Energiedichte von dreißig Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), während sie eine zyklische Stabilität über 1.000 Zyklen beibehielt. Ihre Coulomb-Effizienz lag bei nahezu 100 Prozent. Das bedeutet, dass die Energie, die zum Laden verwendet wird, fast vollständig während der Entladung zurückgewonnen werden kann.
Die Strukturbatterie zeigte auch beeindruckende mechanische Eigenschaften. Sie erreicht ein Elastizitätsmodul von 76 Gigapascal (GPa), den höchsten jemals für Strukturbatterien gemessenen Wert. Diese Steifigkeit macht die Batterie für die Integration in tragende Fahrzeugkomponenten wie Dächer und Karosserieteile geeignet, bei denen mechanische Festigkeit entscheidend ist.
„Enormes Potenzial zur Verbesserung“
Die Integration von Strukturbatterien in Elektroautos könnte zu erheblichen Gewichtsreduktionen führen und die Gesamteffizienz des Fahrzeugs verbessern. Durch den Ersatz herkömmlicher Fahrzeugteile durch Strukturbatterien könnten Hersteller das Gewicht eines Fahrzeugs um bis zu zwanzig Prozent reduzieren. Das wiederum ermöglicht die Integration von mehr Batterien, was letztlich die Reichweite des Fahrzeugs erhöht.
„Strukturbatterien bieten ein enormes Potenzial zur Verbesserung
der Haltbarkeit, Mobilität und intelligenten Funktionalität
im Bereich der vollelektrischen Systeme“
der Haltbarkeit, Mobilität und intelligenten Funktionalität
im Bereich der vollelektrischen Systeme“
schreiben Chaudhary und ihr Team
„Durch die Integration von Energiespeichern direkt in strukturelle Komponenten
tragen diese Batterien dazu bei, die Betriebsdauer zu verlängern,
die Bewegungsfähigkeit zu verbessern und
fortschrittliche intelligente Funktionen in Elektroautos und
anderen High-Tech-Anwendungen zu ermöglichen.“
Aktuelle Forschungen konzentrieren sich darauf, die Leistung von Strukturbatterien weiter zu optimieren, insbesondere durch die Verbesserung der Schnittstelle zwischen Elektroden und Elektrolyten. Fortschritte wie die Integration von ionischen Flüssigkeiten oder leitfähigen Polymeren in den Elektrolyten könnten die Energiedichte und die Stabilität bei Zyklen weiter verbessern. Fortlaufende Verbesserungen werden dazu beitragen, langfristige Leistungs- und Haltbarkeitsprobleme zu lösen.
Quelle: „Unveiling the Multifunctional Carbon Fiber Structural Battery“ (Advanced Materials, 2024)
Keine Kommentare:
Kommentar veröffentlichen