Verbundwerkstoffe für strukturelle Batterien

Eines der Probleme, mit denen Ingenieure bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) konfrontiert sind, ist die Masse der Batterien, die erforderlich sind, um die Motoren mit Strom zu versorgen. Die Batterien sind schwer. Das bedeutet, dass eine ausreichende Batteriekapazität vorhanden sein muss, um Reichweite zu erzielen – eine der am meisten benötigten Funktionen für ein Elektrofahrzeug. Dies wird jedoch zu einem Teufelskreis, da mehr Batterie mehr Masse bedeutet und mehr Masse eine geringere Reichweite bedeutet.

Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben eine Batterie entwickelt, die eine Lösung für dieses Problem sein könnte, da sie nicht nur Energie speichert (24 Wattstunden pro Kilogramm), sondern auch strukturelle Unterstützung bietet, da sie eine Steifigkeit von 25 GPa hat.

Leif Asp, Professor bei Chalmers und Leiter des Forschungsprojekts, das in Zusammenarbeit mit der KTH Royal Institute of Technology (Stockholm, Schweden) durchgeführt wird, sagte:„Frühere Versuche, strukturelle Batterien herzustellen, führten zu Zellen mit entweder guten mechanischen Eigenschaften , oder gute elektrische Eigenschaften. Aber hier ist es uns mit Kohlefaser gelungen, eine strukturelle Batterie mit wettbewerbsfähiger Energiespeicherkapazität und Steifigkeit zu entwickeln.“

In einem Paper in Advanced Energy and Sustainability Research (Band 2, Ausgabe 3) beschreiben Asp und seine Co-Autoren die Batterie:

„Der strukturelle Batterieverbundstoff besteht aus einer negativen CF‐Elektrode [Kohlenstofffaser] und einer auf einem Aluminiumfilm gestützten positiven Elektrode, die durch einen GF‐Separator [Glasfaser] in einem SBE‐Matrixmaterial [Strukturbatterieelektrolyt] getrennt sind. Folglich wirken die CFs als Wirt für Li (d. h. aktives Elektrodenmaterial), leiten Elektronen und verstärken das Material. In ähnlicher Weise bietet die positive Elektrodenfolie eine kombinierte mechanische und elektrische Funktionalität. Die SBE erleichtert den Li‐Ionen‐Transport und überträgt mechanische Lasten zwischen Fasern, Partikeln und Lagen. Zwei Arten von GF-Gewebeseparatoren, ein Whatman GF/A und ein GF-Leinwandgewebe, werden als Modellmaterialien verwendet, um die Auswirkungen der Separatordicke und -architektur sowie der Materialanisotropie auf die multifunktionale Leistung zu untersuchen.“

Derzeit arbeiten sie an einer neuen strukturellen Batterie, bei der die Aluminiumfolie durch Kohlefaser ersetzt wird und ein dünnerer Glasfaserseparator verwendet wird.

Asp sagte, dass er erwartet, dass weitere Forschungen zu einer Batterie mit einer Energiedichte von 75 Wattstunden pro Kilogramm und einer Steifigkeit von 75 GPa führen werden.

„Wenn man sich die Consumer-Technologie ansieht“, so Asp, „könnte es innerhalb weniger Jahre durchaus möglich sein, Smartphones, Laptops oder Elektrofahrräder herzustellen, die halb so viel wie heute wiegen und viel kompakter sind.“