Kohlefaser wird hauptsächlich wegen ihres geringen Gewichts verwendet und wegen ihrer Festigkeit und Steifheit geschätzt. Wenn sich Leif Asp das Material anschaut, sieht er eine Möglichkeit, es zu einer doppelten Aufgabe zu machen, die die Effizienz von Autos und Flugzeugen drastisch verbessern könnte.
„Die Batterie ist ein struktureller Parasit“, sagt der Ingenieur und Professor an der Chalmers University of Technology in Schweden. Dies bedeutet, dass sie das Gewicht erhöht und die Effizienz senkt, ohne zur physischen Stärke und Struktur des Autos beizutragen, das sie antreibt. Aber was wäre, wenn die Fahrzeuge aus Batterien gebaut wären?
Genau hier setzt Asp mit dieser Technologie an. Er möchte Autos, Flugzeuge, Boote, sogar Smartwatches und andere Unterhaltungselektronik aus einem Material sehen, das sowohl als Körper als auch als Energiequelle fungiert - eine sogenannte „Strukturbatterie“. Ein Auto mit Strukturbatterien kann bis zu 50 kg wiegen Prozent weniger als ein typischer Elektrofahrzeug, unter dem schwere Lithium-Ionen-Batterien verbaut sind, sagt Asp.
Es ist nicht neu, dass Kohlenstofffasern elektrochemische Eigenschaften haben. Wie Graphit ist das Material in bestimmten Konfigurationen leitfähig. Forscher der Chalmers University of Technology haben ein US-Patent für eine Batterie aus Kohlenstofffasern beantragt, aber die Vermarktung einer solchen Batterie hat sich für die geringe Anzahl von Personen, die sich mit der Idee befassen, als schwierig erwiesen. Neue Forschungen des Asp-Teams haben einen bestimmten Aspekt des Materials identifiziert, der seine potenzielle Verwendung als Strukturbatterien wesentlich realistischer macht.
Leif Asp mit einer Spule aus Kohlenstofffasergarn (Johan Bodell, Chalmers University of Technology) Es wird jedoch nicht jeder Kohlenstoff gleich erzeugt, und unterschiedliche Kohlenstoffarten haben unterschiedliche Eigenschaften, die sie für unterschiedliche Verwendungen anwendbar machen. Ziel von Asp ist es, zu verstehen, was sich wie und warum verhält, und dies auf strukturelle Anwendungen anzuwenden.
„Die Carbonfasern, die auf dem Markt erhältlich sind, wurden für strukturelle Anwendungen oder für elektrische Anwendungen hergestellt“, sagt er. Strukturelle Anwendungen sind uns am vertrautesten, da sie aus Carbon bestehen, aus dem Fahrräder und andere starke, leichte Produkte bestehen. Manchmal bestehen jedoch auch elektrische Komponenten aus diesem Material, auch wenn es sich um einen anderen Typ handelt. Er glaubt, dass es Kohlenstoff gibt, der beides kann.
In ihrer neuesten Forschung verglichen Asp und seine Mitarbeiter drei Verbundwerkstoffe und untersuchten sie durch Elektronenmikroskopie und Laserspektroskopie. Sie bauten die Faser in Batterien ein, untersuchten die Größe und Ausrichtung der darin gebundenen Kohlenstoffatomkristalle und verglichen die Steifigkeit, Festigkeit und elektrochemischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien. Kleinere Kristalle mit einer desorientierteren Struktur neigen dazu, elektrochemisch reaktiver zu sein - das heißt, sie sind in der Lage, Elektronen aufzunehmen, zu speichern und freizusetzen und wirken somit als Batterien. Diese Arten von Kohlenstoff sind jedoch weniger steif als solche mit Kristallen, die länger sind und sich in einer Reihe befinden. (In beiden Fällen sind sie sehr klein. Asp verglich Fasern mit Kristallen von 18 bis 28 Angström mit Kristallen von 100 bis 300 Angström, und ein Angström ist ein Zehnmilliardstel Meter.)
Die Vision der Forscher sind Fahrzeuge, bei denen ein Großteil der Karosserie oder des Flugzeugrumpfs aus strukturellen Lithium-Ionen-Batterien besteht. (Yen Strandqvist, Technische Universität Chalmers) Die Verwendung einer Kohlefaser, die eine gewisse Steifheit opfert, um eine bessere Leitfähigkeit zu erzielen, ist möglicherweise kein Problem, da das Material immer noch steifer als Stahl ist und eine strukturelle Belastung tragen kann. Es hält auch keine Ladung so effizient wie herkömmliche Batterien, aber wenn der größte Teil des Autos aus dem Zeug besteht, muss es nicht, da die Gesamteffizienz immer noch stark erhöht wird. Industriepartner wie Airbus, die seit 2015 mit Asp zusammenarbeiten, bezeichnen dies als „masselosen Energiespeicher“.
Trotzdem ist es Technologie, die noch lange nicht praktikabel ist - möglicherweise Jahrzehnte, sagt Adrian Mouritz, Executive Dean der School of Engineering an der RMIT University in Melbourne. Mouritz befasst sich auch mit der Speicherung von struktureller Energie aus Kohlefaser. In seine Arbeit sind jedoch Lithium-Ionen-Batterien in Sandwiches aus Kohle eingebettet, die dazu beitragen, einen Teil der strukturellen Belastung zu tragen und das Eigengewicht von Batterien zu verringern, wenn auch nicht so umfassend wie die Version von Asp.
„Der Ansatz, den wir verfolgen, der Verbundwerkstoff ist bereits bewiesen, die Batterie selbst ist bereits bewiesen. Wir versuchen nur zu beweisen, dass die Batterie in den Verbund integriert ist, was ein sehr viel kleinerer Schritt ist “, sagt Mouritz. „Leifs ist… technisch komplexer, aber seine langfristigen Vorteile werden stärker sein. Es ist noch viel mehr Forschung und Entwicklung erforderlich, um die Materialien und das Design des tatsächlichen Systems zu optimieren. “
Asp und sein Labor arbeiten daran, dass es bereits funktionsfähig ist. Frühe Forschungen (2014 und früher) haben modifizierte Kohlenstofffasern entwickelt, bei denen eine Hülle aus laminierten Polymerelektrolyten eingeführt wurde, mit deren Hilfe die Fasern Ionen effizienter speichern und abgeben können, genauso wie bei Lithiumionenbatterien ein dazwischenliegender Elektrolyt verwendet wird.
"Damit dies fliegt, ist es natürlich noch eine lange Zeit", sagt Asp. Er arbeitet mit Airbus zusammen, um eine Demo zu produzieren, die nächstes Jahr veröffentlicht wird und Innenleuchten und Kabel durch strukturelle Kohlefaser ersetzt. Obwohl die größere Gewichtsersparnis darin bestehen könnte, dass kein Treibstoff mehr benötigt wird, was laut Mouritz mindestens ein Drittel des Betriebsbudgets einer Fluggesellschaft ausmacht, wird die Airbus-Demo ein Beispiel dafür sein, dass die Technologie rentabel ist.
Mouritz sieht die Technologie zuerst bei Luxusautos und Formel-1-Rennwagen und eine breite Akzeptanz auf dem Verbrauchermarkt, sobald der Preis sinkt und die Zuverlässigkeit bestätigt wird. "Wenn Sie Ihr Flugzeug leichter machen können, wenn Sie Ihr Auto leichter machen können, liegen die tatsächlichen Nettokosteneinsparungen bei Hunderten von Millionen, wenn nicht in Milliardenhöhe", sagt er.
"Das andere ist natürlich, " fügt Mourtiz hinzu, "wenn ich meinen Treibstoffverbrauch reduziere, reduziere ich tatsächlich meine Treibhausgasemissionen."
