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Kohlefaser kann Energie in der Karosserie eines Fahrzeugs speichern

Karosserie unter Strom

Eine Studie unter der Leitung der Chalmers University of Technology, Schweden, hat gezeigt, dass Kohlefasern als Batterieelektroden arbeiten und Energie direkt speichern können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für strukturelle Batterien, bei denen die Kohlenstoffasern Teil des Energiesystems werden. Der Einsatz dieses multifunktionalen Materials kann zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung bei Flugzeugen und Fahrzeugen der Zukunft beitragen – eine zentrale Herausforderung für die Elektrifizierung.

Passagierflugzeuge müssen viel leichter sein als heute, um mit Strom versorgt zu werden. Auch bei Fahrzeugen ist eine Gewichtsreduzierung sehr wichtig, um die Fahrstrecke pro Batterieladung zu verlängern.

Leif Asp, Professor für Material- und Berechnungsmechanik an der Chalmers University of Technology, erforscht die Fähigkeit von Kohlenstofffasern um mehr Aufgaben zu erfüllen, als nur als Verstärkungsmaterial zu dienen. Sie können z.B. Energie speichern.

Eine Karosserie wäre dann nicht nur ein tragendes Element, sondern auch eine Batterie„, sagt er. „Es wird auch möglich sein, die Kohlenstofffasern für andere Zwecke wie die Gewinnung kinetischer Energie, für Sensoren oder für Leiter von Energie und Daten zu verwenden. Wenn alle diese Funktionen Teil einer Auto- oder Flugzeugkarosserie wären, könnte das Gewicht um bis zu 50 Prozent reduziert werden.

Asp leitete eine multidisziplinäre Forschergruppe, die kürzlich eine Studie darüber veröffentlichte, wie sich die Mikrostruktur von Kohlenstoffasern auf ihre elektrochemischen Eigenschaften auswirkt, d.h. auf ihre Fähigkeit, als Elektroden in einer Lithium-Ionen-Batterie zu arbeiten. Dies war bisher ein unerforschtes Forschungsfeld.

Die Forscher untersuchten die Mikrostruktur verschiedener Arten von handelsüblichen Kohlenstofffasern. Sie entdeckten, dass Kohlenstofffasern mit kleinen und schlecht orientierten Kristallen gute elektrochemische Eigenschaften, aber eine geringere relative Steifigkeit aufweisen. Vergleicht man dies mit Kohlefasern mit großen, hochorientierten Kristallen, so haben sie eine höhere Steifigkeit, aber die elektrochemischen Eigenschaften sind für den Einsatz in Strukturbatterien zu niedrig.

Wir wissen jetzt, wie multifunktionale Kohlenstofffasern hergestellt werden sollten, um eine hohe Energiespeicherkapazität zu erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten„, sagt Asp. „Eine leichte Verringerung der Steifigkeit ist für viele Anwendungen wie z.B. Autos kein Problem. Der Markt wird derzeit von teuren Kohlefaserverbundwerkstoffen dominiert, deren Steifigkeit auf den Einsatz in Flugzeugen zugeschnitten ist. Daher besteht hier ein gewisses Potenzial für Kohlefaserhersteller, ihre Nutzung zu erweitern.

In der Studie hatten die Kohlefasertypen mit guten elektrochemischen Eigenschaften eine etwas höhere Steifigkeit als Stahl, während die Typen mit schlechten elektrochemischen Eigenschaften etwas mehr als doppelt so steif sind wie Stahl.

Die Forscher arbeiten sowohl mit der Automobil- als auch mit der Luftfahrtindustrie zusammen. Leif Asp erklärt, dass es für die Luftfahrtindustrie notwendig sein kann, die Dicke von Kohlefaserverbundwerkstoffen zu erhöhen, um die geringere Steifigkeit von Strukturbatterien auszugleichen. Dies wiederum würde auch ihre Energiespeicherkapazität erhöhen.

Der Schlüssel liegt in der Optimierung von Fahrzeugen auf Systemebene – basierend auf Gewicht, Festigkeit, Steifigkeit und elektrochemischen Eigenschaften. Das ist eine Art Umdenken für die Automobilbranche, die eher an der Optimierung einzelner Komponenten interessiert ist. Strukturbatterien werden vielleicht nicht so effizient wie herkömmliche Batterien, aber da sie eine strukturelle Tragfähigkeit haben, können auf Systemebene sehr große Gewinne erzielt werden.

Er fährt fort: „Darüber hinaus würde die geringere Energiedichte von Strukturbatterien sie sicherer machen als Standardbatterien, zumal sie auch keine flüchtigen Stoffe enthalten würden„.

Quelle: mynewdesk.com


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