Forschern aus Schweden ist es gelungen, Akkus aus Kohlefasern zu bauen, die auch als tragende Struktur für Handys oder E-Autos dienen. Das könnte die Reichweite von Stromern um bis zu 70 Prozent erhöhen.
(Chalmers University of Technology)
Dem Forscherteam der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg ist es gelungen, eine Batterie aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlefasern zu bauen, die insgesamt deutlich leichter ist als herkömmliche Batterien. Denn der neue Akku kann nicht nur Strom speichern. Er kann auf Grund seiner Steifigkeit auch als Stabilisator im Fahrgestell von E-Autos oder des Gehäuses von Handys und Klapprechnern dienen.
„Es ist uns gelungen, eine Batterie aus Kohlefaserverbundwerkstoff herzustellen, die so steif wie Aluminium und energiedicht genug ist, um kommerziell genutzt zu werden. Wie ein menschliches Skelett hat die Batterie mehrere Funktionen gleichzeitig“, sagt Richa Chaudhary. Die Chalmers-Forscherin veröffentlichte den Forschungsbericht Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery als Erstautorin im Fachblatt Advanced Materials. Da die Kohlenstofffasern den Elektronenstrom leiten, werden Stromkollektoren aus Metallen wie Kupfer oder Aluminium weniger benötigt. Dadurch sinkt das Gesamtgewicht zusätzlich. Auch werden bei dem gewählten Elektrodendesign keine Konfliktmetalle wie Kobalt oder Mangan benötigt.
Zwei Fliegen mit einer Klappe
Das Forschungsteam um Chaudhary ist allerdings weder das erste noch das einzige, das an den sogenannten Strukturbatterien arbeitet. Die Idee Materialien zu entwickeln, die Energie speichern und gleichzeitig Lasten tragen können, ist alt. Tesla arbeitet seit etlichen Jahren daran, ebenso wie chinesische Hersteller. Erste Versuche unternahm ein Forschungslabor der US-Armee bereits 2007. Doch bis vor wenigen Jahren waren die Versuche, Akkus sowohl mit guten elektro-chemischen wie mechanischen Qualitäten zu entwickeln, von wenig Erfolg gekrönt.
Die Göteborger Forscher ließen sich davon nicht abschrecken. Vor sechs Jahren stellten sie die ersten Ergebnisse vor. Damals gelang es ihnen, mit festen, starken Kohlefasern Strom zu speichern. Die Tatsache, dass Kohlenstofffasern als Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien funktionierten, stufte die renommierte Fachzeitschrift Physics World als einen der zehn größten wissenschaftlichen Durchbrüche ein. Im Jahr 2021 gelang der nächste Schritt (Greenspottting berichtete). Die Batterie hatte immerhin eine Energiedichte von 24 Wattstunden pro Kilogramm – zehnmal höher als bei früheren Versuchen. Jetzt hat das Göteborger Team die Energiedichte auf 30 Wattstunden pro Kilogramm gesteigert. Größer waren die Erfolge bei der Verbesserung der Steifigkeit. Sie wurde von 25 auf 70 Gigapascal erhöht.
Dank Kohlefasern weniger Gewicht
Damit ist die Neuentwicklung – nach Einschätzung der Göteburger Forscher – die beste Strukturbatterie, die je hergestellt wurde. Doch jetzt geht es vor allem um die Steigerung der Energiedichte. Mit 30 Wattstunden pro Kilogramm beträgt die Energiedichte nur rund ein Fünftel gängiger Antriebsakkus. Weil aber die Batterie Teil der Konstruktion ist und aus leichtem Material besteht, wird das Gewicht des Gesamtgerätes stark vermindert. Strukturbatterien à la suédoise könnten künftig das Gewicht von Klapprechnern halbieren oder die Reichweite eines E-Autos um bis zu 70 Prozent erhöhen.
Noch größere Steigerungen sind durchaus möglich. Die Forscher halten ein Anheben der Energiedichte auf 75 Wattstunden pro Kilogramm für machbar. Wermutstropfen: Bei dem Schweden-Akku handelt es sich bis jetzt um eine Laborentwicklung. Bis er in Autos oder Laptops verbaut wird, müssen Wissenschaft und Industrie noch viel in die Entwicklung investieren.
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