EV-Fortschritt: Leichtbau-Composites für strukturelle Batterien

Eines der Probleme, mit denen Ingenieure bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) konfrontiert sind, ist die Masse der Batterien, die notwendig sind, um die Motoren mit Energie zu versorgen. Die Batterien sind schwer. Das bedeutet, dass für Reichweite – eines der am meisten geforderten Merkmale eines EVs – ausreichende Batteriekapazität nötig ist … was jedoch zu einem Teufelskreis wird, da mehr Batterie mehr Masse bedeutet und mehr Masse die Reichweite reduziert.

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 Wh/kg), sondern auch strukturelle Unterstützung bietet, mit einer Steifigkeit von 25 GPa.

Leif Asp, Professor an der Chalmers und Leiter des Forschungsprojekts, das in Zusammenarbeit mit dem KTH Royal Institute of Technology (Stockholm, Schweden) läuft, sagte: „Bisherige Versuche, strukturelle Batterien zu entwickeln, resultierten in Zellen mit entweder guten mechanischen oder guten elektrischen Eigenschaften. Hier aber, mit Carbonfaser, haben wir es geschafft, eine strukturelle Batterie mit sowohl wettbewerbsfähiger Energiespeicherkapazität als auch Steifigkeit zu entwerfen.“

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

„Der strukturelle Batterie-Composite besteht aus einer CF [Carbonfaser] Negativ-Elektrode und einer aluminumfilm-unterstützten Positiv-Elektrode, getrennt durch einen GF [Glasfaser] Separator in einer SBE [Structural Battery Electrolyte] Matrix. Folglich fungieren die CFs als Host für Li (aktives Elektrodenmaterial), leiten Elektronen und verstärken das Material. Ähnlich bietet die Positiv-Elektrodenfolie kombinierte mechanische und elektrische Funktionalität. Der SBE erleichtert Li-Ionen-Transport und überträgt mechanische Lasten zwischen Fasern, Partikeln und Lagen. Zwei Typen GF-Gewebe-Separatoren, ein Whatman GF/A und ein GF-Plain-Weave, werden als Modellmaterialien genutzt, um die Effekte von Separator-Dicke und -Architektur sowie Materialanisotropie auf die multifunktionale Performance zu untersuchen.“

Derzeit arbeiten sie an einer neuen strukturellen Batterie, bei der der Aluminiumfilm durch Carbonfaser ersetzt und ein dünnerer Glasfaser-Separator verwendet wird.

Asp sagte, er erwarte, dass weitere Forschung zu einer Batterie mit einer Energiedichte von 75 Wh/kg und einer Steifigkeit von 75 GPa führen wird.

„Wenn man sich Unterhaltungselektronik ansieht“, sagte Asp, „könnte es in wenigen Jahren möglich sein, Smartphones, Laptops oder E-Bikes herzustellen, die halb so schwer sind wie heute und deutlich kompakter.“