Carbonfasern als Anode, aber auch als tragendes Element der Karosserie

Einen Durchbruch bei den Strukturbatterien auf Basis von Carbonfasern meldet die Chalmers tekniska högskola. Forschende an der schwedischen Hochschule stellen eine Batterie vor, bei der Carbonfasern nicht nur als Elektrode und als Leitermaterial verwendet werden, sondern als auch tragendes Material dienen.

Eine Strukturbatterie ist eine Batterie, die neben der Funktion als Energiespeicher auch die Struktur der Karosserie verstärkt. Dies wird auch als masseloser Energiespeicher bezeichnet, da das Gewicht der Batterie ins Fahrzeuggewicht eingerechnet wird.

Die Neuentwicklung basiert auf bestimmten Carbonfasern, die nicht nur eine hohe mechanische Stabilität besitzen, sondern auch elektrische Energie speichern können. Erste Prototypen einer solchen Carbon-Strukturbatterie entstanden bereits 2007 am US Army Research Laboratory. Doch bisher hatten solche Akkus entweder gute elektrische oder gute mechanische Eigenschaften.

Doch nun haben Forschende der Chalmers-Hochschule in Zusammenarbeit mit der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm (KTH) eine Strukturbatterie vorgestellt, die beide Eigenschaften miteinander vereinen soll. Die Batterie hat eine Energiedichte von 24 Wh/kg, was etwa 20 Prozent mehr Kapazität bedeutet als bei vergleichbaren, derzeit erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien. Und mit einer Steifigkeit von 25 Gigapascal (GPa) kann die Strukturbatterie mit vielen anderen gängigen Materialien konkurrieren, so die Universität.

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Die neue Batterie hat eine negative Elektrode aus Carbonfasern. Die Kohlenstofffasern fungieren als Wirt für das Lithium und speichern so die Energie. Da die Kohlefaser auch Elektronen leitet, kann auf Kupfer- und Silberleiter verzichtet werden, was das Gewicht noch weiter reduziert. Die positive Elektrode besteht aus einer mit Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) beschichteten Aluminiumfolie. Zwischen ihnen befindet sich ein Glasfasergewebe in einer "Elektrolytmatrix". 

Nun soll die Leistung der Strukturbatterie weiter gesteigert werden. Die Aluminiumfolie wird durch Carbon als tragendes Material in der positiven Elektrode ersetzt, was sowohl die Steifigkeit als auch die Energiedichte erhöht. Der Glasfaser-Separator wird durch eine ultradünne Variante ersetzt, die schnellere Ladezyklen ermöglichen soll. Die Dauer des neuen Projekts ist auf zwei Jahre festgesetzt.

Projektleiter Prof. Leif Asp schätzt, dass eine solche Batterie eine Energiedichte von 75 Wh/kg und eine Steifigkeit von 75 GPa erreichen könnte. Damit wäre die Batterie strukturell etwa so stabil wie Aluminium, hätte aber ein vergleichsweise viel geringeres Gewicht.

So "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", meint Asp. Längerfristig seien auch Batterien für Elektroautos, Elektroflugzeuge und Satelliten denkbar.

Nähere Informationen zu der Batterie in englischer Sprache gibt es in einem Artikel von Asp. Dieses Video ohne Ton zeigt die Biegsamkeit des Materials: