Bildnachweis: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology.
Lange bevor Elon Musk ankündigte, dass Tesla die Batterien in die Fahrzeugstruktur selbst integrieren will, um das Gewicht der Energiespeicher zu verringern, entwickelten Forscher bereits strukturelle Batterielösungen. Was bedeutet es, eine "masselose" Batterie zu haben, und was sind die möglichen Anwendungen für diese Art von Batterie?
Was sind strukturelle Batterien?
Batterien sind oft das schwerste Einzelteil einer Maschine; in Elektrofahrzeugen können die Batterien 25% der gesamten Masse ausmachen. Bei mobilen Anwendungen wie Fahrzeugen oder Drohnen bedeutet dies, dass auch für den Transport des Batteriesatzes erhebliche Energie aufgewendet wird. Im Gegensatz zu Kraftstoff, der mit der Zeit verbrennt und das Fahrzeug leichter macht, behalten Batterien ihr volles Gewicht bei und verbrauchen daher nicht so effizient Energie.
Dieses Hindernis wollen strukturelle Batterien beseitigen. Theoretisch fungieren diese Arten von Batterien als integraler, tragender Teil der Maschine selbst. Sie werden auch als "masselose" Batterien bezeichnet, da sie dem Gerät oder der Maschine außer den notwendigen Strukturelementen keine zusätzliche Masse hinzufügen. Tesla hofft zum Beispiel, das Batteriepaket zum Boden des Autos selbst zu machen, wodurch ein separater Fahrzeugboden für die schweren Batterien überflüssig wird.
Welche Materialien werden für masselose Batterien verwendet?
Im Gegensatz zu den heutigen Batterien, die in einem schützenden Batteriegehäuse untergebracht sind, müssen Strukturbatterien dem Gewicht unabhängig standhalten. Aus diesem Grund müssen sie aus viel steiferen und robusteren Materialien hergestellt werden. Die Forscher, die an strukturellen Batterien arbeiten, entscheiden sich häufig für Kohlefaser. Es handelt sich dabei nicht nur um ein starkes Material, das die Integrität einer Struktur aufrechterhalten kann, sondern auch um ein günstiges Material für Batterieanoden, da es eine hohe Ionenleitfähigkeit besitzt.
Obwohl seit den 2000er Jahren an der Entwicklung von Strukturbatterien gearbeitet wird, gibt es bis heute keine brauchbare Umsetzung. Die neueste Version einer masselosen Batterie, die von Forschern der Chalmers University of Technology entwickelt wurde, war zehnmal besser als frühere Batterien. Mit einer Energiedichte von nur 24 Wh/kg hat sie jedoch nur 20% der Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie. Es liegt noch ein weiter Weg vor uns, aber die Technologie ist sicherlich vielversprechend.
Anwendungen und Vorteile von Strukturbatterien
- Elektrisch betriebene Fahrzeuge
Elektrofahrzeuge, von Autos und Lastwagen bis hin zu Schiffen und Flugzeugen, würden von strukturellen Batterien stark profitieren. Wie bereits erwähnt, nehmen die Fahrzeugbatterien viel Gewicht in Anspruch. Die Integration der Energiespeicherung in die Struktur selbst wird die Reichweite eines Fahrzeugs erhöhen, da keine zusätzliche Energie für den Transport der nicht tragenden Batteriepakete benötigt wird. Diese Energieeinsparung wäre vor allem für größere Fahrzeuge wie Lastkraftwagen und sogar Flugzeuge wertvoll, da sie dazu beitragen kann, die Reichweitenangst zu bekämpfen.
- Robotik
Eine weitere interessante Anwendung für Strukturbatterien ist die Robotik. Wie bei Elektrofahrzeugen können Batterien für die Robotik oft 20% des Raums oder der Masse eines Roboters ausmachen, was die Konstruktionsmöglichkeiten von Robotern einschränkt.
Robotikforscher haben untersucht, wie die Batterie in die Anatomie des Roboters integriert werden kann, und biomorphe Batterien entwickelt, deren Konzept in gewisser Weise von der Energiespeicherung in Tieren abgeleitet ist. Sie stützen sich dabei auf die Art und Weise, wie Fettgewebe im Körper Energie speichert, Wissenschaftler entwickeln Möglichkeiten, die Energiespeicherung im gesamten Roboter zu verteilen. Diese Arten von strukturellen Batterien könnten möglicherweise verwendet werden in Anwendungen wie Körperprothetik sowie flexible oder weiche Robotik.
- Medizin und Mikroelektronik
Auch die Mikroelektronik ist eine vielversprechende Anwendung für Strukturbatterien, insbesondere für medizinische Anwendungen und Implantate. Strukturbatterien werden es den Herstellern ermöglichen, diese Geräte in noch kleineren Formaten zu entwickeln. Batteriebetriebene Geräte wie Herzschrittmacher oder Hörgeräte könnten so umgestaltet werden, dass sie bequemer und nahtloser in den Körper integriert sind.
Wie Batterietests die Forschung unterstützen können
Hochwertige, anpassbare Batterietesttechnologie kann die Forschung und Entwicklung von strukturellen Batterien unterstützen. Arbin's Testreihe für regenerative Batterienkönnen beispielsweise Batterien nach einem Fahrzyklus, die nachahmen, wie eine Batterie im wirklichen Leben verwendet würde. Dies kann den Wissenschaftlern eine genauere Momentaufnahme der Fähigkeiten einer Batterie liefern und den Test- und Entwicklungsprozess erleichtern und beschleunigen. Kontakt um mehr zu erfahren.
