Stärkste Batterie der Welt ebnet den Weg für leichte, energieeffiziente Fahrzeuge

12.9.2024 Reichweite eines Elektroautos könnte mit einer einzigen Ladung um bis zu 70 Prozent erhöht werden

Wenn Autos, Flugzeuge, Schiffe oder Computer aus einem Material gebaut werden, das sowohl als Batterie als auch als tragende Struktur fungiert, werden Gewicht und Energieverbrauch radikal reduziert. Eine Forschungsgruppe der Technischen Universität Chalmers in Schweden präsentiert nun einen weltweit führenden Fortschritt bei der sogenannten masselosen Energiespeicherung – eine Strukturbatterie, die das Gewicht eines Laptops halbieren, das Mobiltelefon so dünn wie eine Kreditkarte machen oder die Reichweite eines Elektroautos mit einer einzigen Ladung um bis zu 70 Prozent erhöhen könnte.

„Es ist uns gelungen, eine Batterie aus Kohlefaserverbundstoff zu entwickeln, die so steif wie Aluminium und energiedicht genug ist, um kommerziell genutzt zu werden. Genau wie ein menschliches Skelett hat die Batterie mehrere Funktionen gleichzeitig“, sagt Chalmers-Forscherin Richa Chaudhary, die Erstautorin eines kürzlich in Advanced Materials veröffentlichten wissenschaftlichen Artikels ist.

Die Forschung an Strukturbatterien läuft seit vielen Jahren an Chalmers und in einigen Phasen auch gemeinsam mit Forschern der Königlichen Technischen Hochschule KTH in Stockholm, Schweden. Als Professor Leif Asp und seine Kollegen 2018 ihre ersten Ergebnisse darüber veröffentlichten, wie steife, starke Kohlenstofffasern elektrische Energie chemisch speichern können, erregte der Fortschritt große Aufmerksamkeit. Die Nachricht, dass Kohlenstofffasern als Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien fungieren können, wurde weithin verbreitet und die Errungenschaft wurde von der renommierten Zeitschrift Physics World als einer der zehn größten Durchbrüche des Jahres eingestuft.

Weniger Gewicht erfordert weniger Energie

Seitdem hat die Forschungsgruppe ihr Konzept weiterentwickelt, um sowohl die Steifigkeit als auch die Energiedichte zu erhöhen. Der vorherige Meilenstein wurde 2021 erreicht, als die Batterie eine Energiedichte von 24 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) aufwies, was ungefähr 20 Prozent der Kapazität einer vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterie entspricht. Jetzt sind es bis zu 30 Wh/kg. Dies ist zwar immer noch weniger als bei heutigen Batterien, aber die Bedingungen sind ganz andere. Wenn die Batterie Teil der Konstruktion ist und auch aus einem leichten Material hergestellt werden kann, wird das Gesamtgewicht des Fahrzeugs stark reduziert. Dann wird beispielsweise nicht annähernd so viel Energie benötigt, um ein Elektroauto anzutreiben.

„Investitionen in leichte und energieeffiziente Fahrzeuge sind eine Selbstverständlichkeit, wenn wir Energie sparen und an zukünftige Generationen denken wollen. Wir haben Berechnungen für Elektroautos durchgeführt, die zeigen, dass sie bis zu 70 Prozent länger fahren könnten als heute, wenn sie über wettbewerbsfähige Strukturbatterien verfügen würden“, sagt Forschungsleiter Leif Asp, Professor an der Fakultät für Industrie- und Materialwissenschaften in Chalmers.

Bei Fahrzeugen gibt es natürlich hohe Anforderungen an das Design, um ausreichend stabil zu sein, um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Die Strukturbatteriezelle des Forschungsteams hat ihre Steifigkeit, genauer gesagt den Elastizitätsmodul, der in Gigapascal (GPa) gemessen wird, von 25 auf 70 deutlich erhöht. Dies bedeutet, dass das Material genauso gut Lasten tragen kann wie Aluminium, aber bei geringerem Gewicht.

„In Bezug auf multifunktionale Eigenschaften ist die neue Batterie doppelt so gut wie ihre Vorgängerin – und tatsächlich die beste, die jemals auf der Welt hergestellt wurde“, sagt Leif Asp, der seit 2007 an Strukturbatterien forscht.

Mehrere Schritte zur Kommerzialisierung

Von Anfang an war das Ziel, eine Leistung zu erreichen, die eine Kommerzialisierung der Technologie ermöglicht. Parallel dazu, dass die Forschung fortgesetzt wird, wurde die Verbindung zum Markt gestärkt – durch das neu gegründete Chalmers Venture-Unternehmen Sinonus AB mit Sitz in Borås, Schweden.

Es bleibt jedoch noch viel Ingenieurarbeit zu leisten, bevor die Batteriezellen den Schritt von der Laborherstellung im kleinen Maßstab zur Produktion im großen Maßstab für unsere technischen Geräte oder Fahrzeuge geschafft haben.

„Man kann sich vorstellen, dass kreditkartendünne Mobiltelefone oder Laptops, die nur halb so viel wiegen wie heute, zeitlich am nächsten dran sind. Es könnte auch sein, dass Komponenten wie Elektronik in Autos oder Flugzeugen durch Strukturbatterien angetrieben werden. Es werden große Investitionen erforderlich sein, um den anspruchsvollen Energiebedarf der Transportbranche zu decken, aber hier könnte die Technologie auch den größten Unterschied machen“, sagt Leif Asp, der ein großes Interesse aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie festgestellt hat.

Mehr zu: Forschung und Strukturbatterien

Strukturbatterien sind Materialien, die neben der Speicherung von Energie auch Lasten tragen können. Auf diese Weise kann das Batteriematerial Teil des eigentlichen Konstruktionsmaterials eines Produkts werden, wodurch beispielsweise bei Elektroautos, Drohnen, Handwerkzeugen, Laptops und Mobiltelefonen ein viel geringeres Gewicht erreicht werden kann.

Die neuesten Fortschritte auf diesem Gebiet wurden im Artikel Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Die Autoren sind Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia und Leif Asp von der Technischen Universität Chalmers.

Das entwickelte Batteriekonzept basiert auf einem Verbundwerkstoff
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