Professor Leif Asp und Dr. Johanna Xu von der Chalmers University of Technology

Verschwimmt künftig die Grenze zwischen Fahrrad und Akku?

Wohin mit dem Akku? So lautet seit Anbeginn eine der Kardinalsfragen rund um das E-Bike. Die Antwort darauf hat sich im Laufe der Zeit mehrfach geändert. Vom komplett ausgefüllten Rahmendreieck des Flyer Classic bis zur jetzt komplett im Unterrohr integrierten Variante ist viel passiert. In absehbarer Zukunft entfällt womöglich die Suche nach dem am besten geeigneten Platz. Dann werden Teile des E-Bikes selbst als dessen Batterie fungieren.

Zugegeben, bis dahin müsst ihr euch noch einige Jahre gedulden. Aber Forscher der Chalmers University of Technology aus dem schwedischen Göteborg haben jetzt die Richtung klar vorgegeben. Sie arbeiten an einer Strukturbatterie als Lösung. Ein vorgestellter Prototyp übertrifft bereits in punkto elektrischer Energiespeicherung, Steifigkeit und Festigkeit alles bisher Dagewesene. Seine multifunktionale Leistung ist zehnmal höher, als die vergleichbarer Prototypen.

Speicher und Struktur bilden ein Ganzes

Als Strukturbatterie gilt ein Akku, der gleichzeitig Energiespeicher und Teil der Struktur ist – zum Beispiel als Fahrradrahmen. Eine solche Lösung bezeichnen Experten als „masselosen“ Energiespeicher. Dies beruht auf dem Umstand, dass das Gewicht der Batterie im Grunde genommen verschwindet, wenn sie Teil der tragenden Struktur wird. Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich durch den Einsatz multifunktionaler Batterien das Gewicht eines E-Bikes und anderer elektrisch betriebener Fahrzeuge stark reduzieren lässt.

Strukturbatterien als Komponenten künftiger E-Bikes, Elektroautos und Satelliten

Strukturbatterien speichern weniger Energie als Lithium-Ionen-Batterien. Dafür qualifizieren sie andere Eigenschaften für den Einsatz in Fahrzeugen und anderen Anwendungen. Wird die Batterie Teil der tragenden Struktur, „verschwindet“ quasi die Masse der Batterie.

Bei diesem Projekt haben mit der Chalmers University of Technology und der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm (KTH) die beiden größten technischen Universitäten Schwedens zusammengearbeitet. Ihr Prototyp basiert auf Kohlenstofffasern. Wie ihr wisst, sind diese besonders fest und stark. Für einige von euch neu ist vielleiht die Tatsache, dass dieses Material mithilfe der Chemie auch elektrische Energie speichern kann.

Insgesamt weniger Energie notwendig

Im aktuellen Stadium weist die Batterie eine Energiedichte von 24 Wattstunden pro Kilogramm auf. Das liegt noch deutlich unter den Werten eines herkömmlichen Fahrradakkus. Diese Marke muss eine Strukturbatterie allerdings auch gar nicht erreichen. Schließlich würde mit ihr das Gesamtgewicht des E-Bikes deutlich sinken. Folglich ist auch weniger Energie für den Antrieb nötig. Nützlicher Nebeneffekt: Eine geringere Energiedichte würde mit einer höheren Sicherheit einhergehen. Und die Steifigkeit von 25 Giga-Pascal der Strukturbatterie hält dem Vergleich mit vielen anderen gängigen Materialien stand.

Prototyp einer Strukturbatterie

Die Zelle der Strukturbatterie besteht aus einer Kohlefaser-Elektrode und einer Lithium-Eisenphosphat-Elektrode, die durch ein Glasfasergewebe getrennt sind. Die gesamte Einheit ist mit einem strukturellen Batterie-Elektrolyt imprägniert.

„Frühere Versuche, strukturelle Batterien herzustellen, haben zu Zellen geführt, die entweder gute mechanische Eigenschaften oder gute elektrische Eigenschaften haben. Aber hier ist es uns gelungen, mit Hilfe von Kohlenstofffasern eine strukturelle Batterie zu entwerfen, die sowohl eine konkurrenzfähige Energiespeicherkapazität als auch Steifigkeit aufweist“, erklärt Leif Asp, Professor der Chalmers University of Technology und Leiter des Projekts.

Nächstes Projekt in den Startlöchern

Bis zur Umsetzung in konkrete Strukturen stehen Asp und seinem Team aber noch vor einem Berg an Arbeit. Demnächst startet ein von der schwedischen Raumfahrtbehörde finanziertes Folgeprojekt. In dessen Rahmen wollen die Wissenschaftler die Leistung der Strukturbatterie weiter steigern. Leif Asp schätzt, dass dann eine Strukturbatterie eine Energiedichte von 75 Wattstunden pro Kilogramm und eine Steifigkeit von 75 Giga-Pascal erreichen könnte. Damit wäre die Batterie etwa so stark wie Aluminium, hätte aber ein vergleichsweise viel geringeres Gewicht. Mit einem Abschluss dieses Vorhabens ist voraussichtlich in zwei Jahren zu rechnen.

„Wenn man sich die Verbrauchertechnologie anschaut, 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“, sagt Asp. Nun, wir werden das für euch weiterhin verfolgen.

 

Bilder: Chalmers University of Technology / Yen Strandqvist; Chalmers University of Technology / Marcus Folino

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.