Elektroautos sind längst mehr als nur eine Alternative zu Verbrennern; sie stehen im Zentrum globaler Bemühungen für nachhaltige Mobilität und den Übergang zu umweltfreundlicheren Technologien. Neben staatlichen Förderungen und dem Ausbau der Ladeinfrastruktur wird die Branche durch stetige technologische Innovationen vorangetrieben. Eine der neuesten Entwicklungen in diesem Bereich sind Strukturbatterien.
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.
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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.
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„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“, 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)
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