Wie wird die Strukturbatterie entwickelt?

Die Idee der Strukturbatterie – ein Bauteil, das nicht nur Energie speichert, sondern gleichzeitig auch mechanische Lasten trägt – klingt revolutionär und ist es auch. Doch wie genau werden diese "doppelt nützlichen" Materialien entwickelt, die in Zukunft unsere Smartphones halbieren oder Elektroautos zu Reichweiten-Wundern machen könnten? Ein Blick ins Labor zeigt die komplexen Schritte und innovativen Ansätze der Forschung.

Das Prinzip der Entwicklung: Multifunktionalität im Fokus.

Im Kern der Entwicklung von Strukturbatterien steht die Herausforderung, Materialien zu schaffen, die zwei bisher getrennte Funktionen vereinen: Energiespeicherung und strukturelle Stabilität. Traditionelle Batterien sind schwere, separate Komponenten. Strukturbatterien hingegen sollen Teil des eigentlichen Konstruktionsmaterials eines Produkts werden. Hierfür müssen die Komponenten einer Batterie – Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt – direkt in die konstruktiven Elemente des Produkts integriert werden.

Ein zentrales Material in der Entwicklung von Strukturbatterien sind Kohlenstofffasern. Sie sind entscheidend für den Leichtbau und gleichzeitig in der Lage, Elektrizität zu speichern.

In der Konstruktion erfüllen Kohlenstofffasern eine Doppelfunktion:

• Sie dienen sowohl als positive als auch als negative Elektrode.
• Sie wirken als Verstärkung und als elektrischer Stromkollektor. Dies reduziert den Bedarf an zusätzlichen Metallen wie Kupfer oder Aluminium für die Stromführung und senkt somit das Gesamtgewicht zusätzlich.
• Interessanterweise kann in diesen Elektrodendesigns auf Konfliktmetalle wie Kobalt oder Mangan verzichtet werden.

Andere Komponenten, die entwickelt werden müssen, sind:

• Elektrodenbeschichtungen: Die positive Elektrode wird oft mit Lithium-Eisenphosphat (LFP) beschichtet. In älteren Konzepten bestand der Kern der positiven Elektrode aus Aluminiumfolie. Die Forschenden wollen in Zukunft die Aluminiumfolie sogar durch Kohlefasern ersetzen, um Steifigkeit und Energiedichte weiter zu steigern.
• Elektrolyte: Zwischen den Elektroden wird ein dünner Polymer-Elektrolyt verwendet, der die Bewegung der Ionen ermöglicht. Um die Batterie mechanisch stabil zu gestalten, muss der flüssige Elektrolyt durch einen festen Polymerelektrolyt ersetzt werden. Dieser Feststoff-Elektrolyt trägt auch zu einer erhöhten Sicherheit bei, da die Brandgefahr verringert wird. Die Entwicklung von gut ionenleitenden, mechanisch stabilen Elektrolyten ist jedoch eine der grössten Herausforderungen.
• Separator: Ein dünnes Glasfasergewebe oder eine Glasfasertrennschicht wird zwischen den Elektroden platziert, um Kurzschlüsse zu verhindern.

Herstellungsprozesse und erreichte Fortschritte.

Ein führendes Forschungsteam an der Chalmers University of Technology in Schweden um Leif Asp und Richa Chaudhary hat beachtliche Erfolge erzielt. Ihre Entwicklungsschritte umfassen:

• Kombination der Komponenten: Kohlenstofffasern bilden den Negativpol, eine mit Lithium-Eisenphosphat beschichtete Aluminiumfolie den Positivpol, getrennt durch Glasfasern.
• Einbettung und Aushärtung: Alle Komponenten werden in den Elektrolyten eingebettet und ausgehärtet, um der Batterie ihre Festigkeit zu verleihen. Dieser Prozess erfolgt typischerweise unter Druck in einem Ofen. Dies trägt zur besonderen Dünnheit der Glasfasern und der guten Gesamtleistung der Batterie bei.
• Initial erreichten ihre Prototypen eine Energiedichte von 24 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) und eine Steifigkeit von 25 Gigapascal (GPa). Der neueste Durchbruch steigerte die Energiedichte auf 30 Wh/kg und die Steifigkeit auf 70 GPa, was das Material so belastbar wie Aluminium macht, aber deutlich leichter. Die Forschenden streben eine Energiedichte von 75 Wh/kg an.

Eine andere Forschergruppe am Korea Advanced Institute of Science and Technology hat eine dünne, einheitliche Strukturbatterie aus einem multifunktionalen Kohlefaser-Verbundstoff entwickelt. Sie setzen auf eine Kombination aus einfachem Epoxidharz und einem komplexeren Carbonatelektrolyt auf Basis eines festen Polymerelektrolyten. Die Herstellung erfolgt mittels Vakuumpressen, einer Technik, die Wärme, Druck und Vakuum nutzt, um Materialien zu formen und hohe Festigkeit und Konsistenz zu gewährleisten. Diese Methode steigerte angeblich den Volumenanteil der Kohlenstofffasern um über 160% im Vergleich zu früheren Kohlefaserbatterien.

Herausforderungen auf dem Weg zur Marktreife.

Trotz dieser beeindruckenden Fortschritte stehen die Strukturbatterien noch vor erheblichen Herausforderungen:

• Komplexität der Materialentwicklung: Es ist äusserst aufwendig, Materialien zu entwickeln, die gleichzeitig ausgezeichnete Energiespeicher- und mechanische Eigenschaften aufweisen. Oft sind Materialien entweder das eine oder das andere.
• Energiedichte: Obwohl Fortschritte erzielt wurden, ist die aktuelle Energiedichte von 30 Wh/kg noch deutlich geringer als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien (150-200 Wh/kg).
• Sicherheit und Robustheit: Wenn Bauteile wie ein Autorahmen aus Batterien bestehen, müssen diese extrem robust sein, Unfälle überstehen und realen Bedingungen wie Vibrationen, Stössen und Temperaturschwankungen standhalten, ohne in Flammen aufzugehen. Das Material verändert sich auch, wenn es geladen ist, was exakt berechnet werden muss.
• Lebensdauer, Reparatur und Recycling: Strukturbatterien müssen viele Lade- und Entladezyklen überstehen – derzeit schaffen sie etwa 1000 Zyklen. Es ist unklar, wie Reparaturen durchgeführt werden könnten, wenn beispielsweise ein Kratzer am Auto direkt die Batterie betrifft. Auch das spätere Recycling oder die Zweitnutzung als stationärer Speicher könnten durch die starke Verwebung der Materialien erschwert werden.
• Massenproduktion: Die aktuellen Verfahren sind aufwändig und teuer. Es bedarf noch viel Entwicklungsarbeit, um von der Labormanufaktur zur Grossproduktion überzugehen.

Die meisten Innovationen in diesem Bereich stammen noch aus dem Labor. Während erste Anwendungen in serienmässig gefertigten Produkten wie Smartphone-Gehäusen mittelfristig denkbar sind, wird eine breite Nutzung in Autos oder Flugzeugen, wo die Anforderungen an die Struktureigenschaften deutlich höher sind, erst langfristig erwartet. Die Forschenden bleiben jedoch optimistisch und haben bereits Spin-off-Unternehmen wie Sinonus AB gegründet, um die Technologie zur Marktreife zu bringen.

Welches sind die Herausforderungen bei der Entwicklung von Strukturbatterien?

Eine der grössten Herausforderungen bei der Entwicklung von Strukturbatterien liegt in der Komplexität der Materialentwicklung. Es ist äusserst aufwendig, Materialien zu schaffen, die sowohl ausgezeichnete Energiespeicher- als auch mechanische Eigenschaften aufweisen. Häufig sind Materialien entweder das eine oder das andere, aber selten beides gleichermassen gut. Dies bedeutet, dass die Bestandteile sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. Die Forschung konzentriert sich dabei stark auf die Anpassung des Funktionsprinzips von Lithium-Ionen-Batterien, wobei die Komponenten wie Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt direkt in die konstruktiven Elemente eines Produkts integriert werden müssen.

Die Energiedichte: Ein entscheidender Faktor.

Trotz beachtlicher Fortschritte bei der Steigerung der Energiedichte bleiben Strukturbatterien in dieser Hinsicht noch hinter herkömmlichen Batterien zurück. Aktuelle Prototypen des schwedischen Chalmers-Teams erreichen eine gravimetrische Energiedichte von 30 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Zum Vergleich: Heutige LFP-Zellen in Elektroautos kommen auf 150 bis 200 Wh/kg. Das Forschungsteam strebt zwar 75 Wh/kg an, und eine andere Entwicklung erreichte bereits 41 Wh/kg, aber das ist immer noch weit entfernt von konventionellen Akkus. Obwohl die geringere Energiedichte durch das massive Gewichtseinsparungspotenzial auf Systemebene teilweise ausgeglichen wird, muss die Energiedichte für viele Anwendungen weiter erhöht werden.

Sicherheit und Robustheit unter realen Bedingungen.

Ein besonders kritischer Punkt ist die Sicherheit. Wenn der Rahmen eines Autos oder die Tragfläche eines Flugzeugs aus Batterien besteht, müssen diese extrem robust sein. Sie müssen Unfälle überstehen, ohne in Flammen aufzugehen, und realen Bedingungen wie ständigen Vibrationen, Stössen oder Temperaturschwankungen standhalten. Das Material selbst verändert sich zudem, wenn es geladen ist, was von den Herstellern exakt berechnet werden muss, bevor sie in die Technologie investieren. Diese hohen Anforderungen an die Konstruktion, insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Fahrzeugen oder Flugzeugen, stellen eine grosse Hürde dar.

Lebensdauer, Reparatur und Recycling.

Strukturbatterien müssen ausserdem eine hohe Zyklenfestigkeit aufweisen, das heisst, sie müssen viele Lade- und Entladezyklen überstehen. Derzeit erreichen die Prototypen der Chalmers University etwa 1000 Lade- und Entladezyklen.

Ein weiteres Problem betrifft die Reparatur und das Recycling.

Wenn ein Kratzer am Auto gleichzeitig ein Kratzer an der Batterie bedeutet, ist unklar, wie Reparaturen durchgeführt werden könnten. Es besteht die Sorge, dass bei einer nachlassenden Batteriekapazität nicht nur die Batterie, sondern gleich das gesamte Auto entsorgt oder ersetzt werden müsste. Das spätere Recycling oder die Zweitnutzung als stationärer Speicher könnten durch die starke Verwebung der Materialien in der Strukturbatterie zudem erschwert werden.

Herausforderungen bei der Massenproduktion.

Die meisten Innovationen im Bereich der Strukturbatterien stammen bisher aus dem Labor. Die aktuellen Herstellungsverfahren sind aufwendig und teuer. Der Übergang von der Labormanufaktur in kleinem Massstab zur Grossproduktion für technische Geräte oder Fahrzeuge erfordert noch viel Entwicklungsarbeit und erhebliche Investitionen.

Zeitlicher Horizont und Anwendungsbereiche.

Wann Strukturbatterien wirklich als einzelne Batteriezellen in E-Autos eingesetzt werden können und nicht nur das Batteriepack im Unterboden, ist noch unklar. Für Flugzeuge ist der Weg zur breiten Anwendung aufgrund der noch höheren Anforderungen an die Struktureigenschaften noch deutlich weiter. Die Forschenden gehen davon aus, dass es noch gut zehn Jahre dauern könnte, bis die ersten Autos gleichzeitig Batterie und Auto sind. In kleineren Geräten wie Smartphones, Laptops oder Elektrofahrrädern könnte das Konzept jedoch deutlich früher angewendet werden, möglicherweise innerhalb weniger Jahre, da hier die Anforderungen an die Struktureigenschaften geringer sind.

Welches sind die Vorteile von Strukturbatterien?

Die Vision, dass der Rahmen eines Elektroautos, die Tragfläche eines Flugzeugs oder das Gehäuse eines Smartphones gleichzeitig als Batterie fungiert, ist faszinierend. Diese "masselose Energiequelle" soll das Problem lösen, dass herkömmliche Batterien oft ein erhebliches Gewicht und Volumen mit sich bringen, das ihre eigenen Vorteile, wie die Reichweite von Elektrofahrzeugen, wieder relativiert.

Das Potenzial von Strukturbatterien ist enorm. Hier sind die Hauptvorteile, die sie mit sich bringen könnten:

• Enorme Gewichts- und Platzeinsparungen Strukturbatterien kombinieren Energiespeicherung und strukturelle Unterstützung in einem einzigen Bauteil. Dies bedeutet, dass das Batteriematerial direkt Teil des Konstruktionsmaterials eines Produkts wird. Der augenscheinlichste Vorteil ist die erhebliche Gewichtseinsparung. Prototypen zeigen, dass das Gewicht von Tablets, Smartphones oder Laptops um bis zu 50 Prozent reduziert werden könnte. Da keine separaten Batteriegehäuse mehr benötigt werden, können zusätzliche Material-, Gewichts- und Kosten reduziert werden. Auch Verkabelungen und Kühlsysteme lassen sich verkleinern.
• Erhöhte Reichweite und Effizienz Durch die massive Gewichtseinsparung auf Systemebene wird deutlich weniger Energie benötigt, um beispielsweise ein Elektroauto anzutreiben oder ein Flugzeug in die Luft zu bringen. Forschende der Chalmers University of Technology schätzen, dass die Reichweite eines Elektroautos um bis zu 70 Prozent erhöht werden könnte, wenn Teile der Karosserie durch Strukturbatterien ersetzt werden. Diese Effizienzsteigerung ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz und breite Anwendung elektrischer Fahrzeuge und Flugzeuge.
• Verbesserte mechanische Eigenschaften und Robustheit Moderne Strukturbatterien, insbesondere die aus Kohlefaserverbundwerkstoff, sind so steif wie Aluminium und dabei deutlich leichter. Die Kohlenstofffasern erfüllen dabei eine Doppelfunktion: Sie dienen nicht nur als Verstärkung, sondern leiten auch den Strom und speichern Energie. Laut den Forschenden der Chalmers University of Technology ist die neue Strukturbatterie die beste, die je hergestellt wurde, und in ihren multifunktionalen Eigenschaften doppelt so gut wie ihre Vorgänger.
• Neue Designmöglichkeiten und Systemintegration Die Integration von Batteriezellen direkt in die Fahrzeugstruktur, wie Teslas "cell-to-body"-Konzept, bei dem die Batteriezellen den Boden des Autos bilden, spart Metall und eröffnet völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten. Die Vision, ein ganzes Gerät zum Akku zu machen, könnte die derzeitigen Designbeschränkungen durch separate, schwere Batterien überwinden.
• Nachhaltigkeit und Materialwahl Ein weiterer Vorteil liegt in der Materialwahl: Da Kohlenstofffasern den Elektronenstrom leiten, werden weniger herkömmliche Metall-Stromkollektoren wie Kupfer oder Aluminium benötigt, was das Gesamtgewicht zusätzlich senkt. Zudem können bestimmte Elektrodendesigns auf Konfliktmetalle wie Kobalt oder Mangan verzichten. Die Verwendung eines halbfesten statt eines flüssigen Elektrolyten trägt zudem zu einer erhöhten Sicherheit in der Batteriezelle bei, da die Brandgefahr verringert wird.

Vielfältige potenzielle Anwendungsbereiche.

Das breite Spektrum der potenziellen Anwendungen unterstreicht das enorme Potenzial von Strukturbatterien:

• Elektrofahrzeuge: Für die Reduzierung der Fahrzeugmasse und die Erhöhung der Reichweite.
• Luft- und Seefahrt: Sie könnten elektrische Flugzeuge und Schiffe durch signifikanten Leichtbau ermöglichen.
• Tragbare Elektronik: Smartphones, Laptops, Tablets und E-Bikes könnten nur noch halb so viel wiegen und viel kompakter werden.
• Spezialisierte Anwendungen: Dazu gehören Drohnen, Handwerkzeuge sowie winzige Mikrogeräte in der Medizin, die kleiner als eine Fingerspitze sein könnten.

Wie ist die Herstellung von Strukturbatterien?

Die Entwicklung von Materialien, die sowohl als Strukturelemente als auch als Batterien fungieren können, ist wesentlich komplexer und zeitaufwendiger, als sich nur auf das eine oder das andere zu konzentrieren.

Die Kernkomponenten und ihre doppelten Funktionen.

Das Grundprinzip der Strukturbatterie ähnelt dem einer herkömmlichen Batterie, jedoch werden die Komponenten direkt in die konstruktiven Elemente eines Produkts integriert. Hierfür werden spezifische Materialien verwendet, die eine doppelte Rolle übernehmen können:

• Kohlenstofffasern: Sie sind ein entscheidender Ausgangspunkt für Strukturbatterien. In der Konstruktion des Teams der Chalmers University erfüllen Kohlenstofffasern eine Doppelfunktion: Sie dienen als positive und negative Elektrode. In der Anode fungieren sie als Verstärkung, elektrischer Kollektor und aktives Material. In der Kathode dienen sie ebenfalls als Verstärkung, Stromkollektor und als Gerüst für die Lithiumaufnahme.
• Elektrolyt: Ein dünner Polymerelektrolyt ermöglicht die Bewegung der Ionen durch die Batterie. Es wird auch ein fester Polymerelektrolyt verwendet, der die Belastungsfähigkeit der Batterie weiter erhöht und zu einer erhöhten Sicherheit beiträgt, da die Brandgefahr verringert wird.
• Positive Elektrode: Diese ist typischerweise mit Lithiumeisenphosphat (LFP) beschichtet. Zuvor wurde der Kern der positiven Elektrode aus Aluminiumfolie hergestellt. Künftig streben die Forschenden an, die Aluminiumfolie durch Kohlefasern zu ersetzen, um Steifigkeit und Energiedichte weiter zu steigern.
• Separator: Ein dünnes Glasfasergewebe dient als Separator, um einen Kurzschluss zwischen den Polen zu verhindern.

Der Herstellungsprozess: Vom Labor zum Prototyp.

Die Herstellung einer Strukturbatteriezelle, wie sie beispielsweise von der Chalmers University of Technology entwickelt wurde, umfasst mehrere Schritte:

• Layup der Komponenten: Die Elektrodenschichten (Kohlefaserverbund für die negative Elektrode, und Aluminiumfolie, beschichtet mit LFP für die positive Elektrode) und der Separator (dünne Glasfasertrennschicht) werden in der richtigen Reihenfolge in eine hitzeversiegelbare Kunststoffhülle (Pouch Bag) eingelegt.
• Elektrolytzugabe: Ein halbfestes Polymer-Elektrolyt-Gemisch wird mittels Tropfer oder Spritze zwischen die Lagen eingebracht. Die Verwendung eines halbfesten statt eines flüssigen Elektrolyten trägt zur erhöhten Sicherheit bei. 
• Vakuumversiegelung: Die Hülle wird unter Vakuum heissversiegelt, um Lufteinschlüsse zu vermeiden und eine dichte Zelle zu erzeugen.
• Pressen und Aushärten (Curing): Unter kontrolliertem Druck werden die Schichten zusammengepresst, um Kontaktwiderstände zu minimieren. Anschliessend wandert die Zelle in einen Ofen (z. B. 90 °C für 1 Stunde), damit das Elektrolyt polymerisiert und die Struktur ihre finale Festigkeit erhält. Diese Methode hat es laut einer Forschergruppe am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) mittels Vakuumpressen ermöglicht, den Volumenanteil der Kohlenstofffasern um über 160% im Vergleich zu früheren Batterien auf Kohlefaserbasis zu steigern.

Herausforderungen bei der Produktion und der Weg zur Marktreife.

Obwohl beeindruckende Fortschritte in der Laborentwicklung erzielt wurden, wie die Fähigkeit, Materialien zu schaffen, die so steif wie Aluminium sind und dabei deutlich leichter, und die Energiedichte auf 30 Wh/kg zu steigern (mit dem Ziel 75 Wh/kg), steht die Massenproduktion noch vor grossen Hürden. Die meisten Innovationen in diesem Bereich stammen bisher aus dem Labor, und die aktuellen Herstellungsverfahren sind aufwendig und teuer. Der Übergang von der Labormanufaktur in kleinem Massstab zur Grossproduktion für technische Geräte oder Fahrzeuge erfordert noch viel Entwicklungsarbeit und erhebliche Investitionen.

Forschende gehen davon aus, dass es noch gut zehn Jahre dauern könnte, bis die ersten Autos gleichzeitig Batterie und Auto sind. In kleineren Geräten wie Smartphones, Laptops oder Elektrofahrrädern könnte das Konzept jedoch deutlich früher angewendet werden, möglicherweise innerhalb weniger Jahre, da hier die Anforderungen an die Struktureigenschaften geringer sind.

Technische Daten.

Strukturbatterien sind innovative Bauteile, die sowohl elektrische Energie speichern als auch mechanische Lasten tragen können. Ihre technischen Daten und Herstellungsprozesse sind komplex, da sie multifunktionale Eigenschaften vereinen müssen. Die wichtigsten technischen Spezifikationen und Details zur Herstellung sind:

Aktuelle Prototypen, insbesondere von der Chalmers University of Technology:

Energiedichte: 

Aktuelle Prototypen erreichen eine gravimetrische Energiedichte von 30 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg).

Dies ist deutlich geringer als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus, die typischerweise 150 bis 200 Wh/kg erreichen. Im Vergleich dazu erreichen Diesel/Benzin 11.000 bis 12.000 Wh/kg, und Festkörperbatterien (Laborkandidaten) bis zu 400 Wh/kg.

Ein früherer Prototyp (2021) hatte eine Energiedichte von 24 Wh/kg, was damals zehnmal höher war als bei vorherigen Versuchen.

Ziel der Forschung ist es, die Energiedichte auf 75 Wh/kg zu steigern. Ein weiteres Material mit ca. 41 Wh/kg ist bereits fertiggestellt und befindet sich in der Peer-Review.

Steifigkeit (Elastizitätsmodul):

Die aktuelle Strukturbatteriezelle der Chalmers University hat eine Steifigkeit von 70 Gigapascal (GPa).

Dies bedeutet, dass das Material so belastbar ist wie Aluminium, aber ein geringeres Gewicht hat.

Frühere Versuche erreichten eine Steifigkeit von 25 GPa.

Die neue Batterie wird als die beste Strukturbatterie bezeichnet, die je hergestellt wurde, und ist in ihren multifunktionalen Eigenschaften doppelt so gut wie ihre Vorgängerin.

Das Ziel ist eine Steifigkeit von 75 GPa.

Lebensdauer:

Die Batterien schaffen derzeit 1000 Lade- und Entladezyklen.

Materialzusammensetzung (Chalmers-Prototyp):

Kohlenstofffasern: Sie erfüllen eine Doppelfunktion als positive und negative Elektrode. Sie dienen als Verstärkung, elektrischer Kollektor und aktives Material in der Anode sowie als Verstärkung, Stromkollektor und Gerüst für die Lithiumaufnahme in der Kathode. Da Kohlenstofffasern Elektronenstrom leiten, wird der Bedarf an herkömmlichen Stromkollektoren aus Metallen wie Kupfer oder Aluminium reduziert, was das Gesamtgewicht weiter senkt.

Positive Elektrode: Ist mit Lithiumeisenphosphat (LFP) beschichtet. Der Kern der positiven Elektrode wurde zuvor aus Aluminiumfolie hergestellt, wobei zukünftig ein Ersatz durch Kohlefasern angestrebt wird.

Negative Elektrode: Besteht aus Kohlefaserverbund, manchmal mit leitfähiger Silberbeschichtung.

Elektrolyt: Ein dünner Polymerelektrolyt ermöglicht die Bewegung der Ionen. Ein halbfestes Polymer-Elektrolyt-Gemisch (SBE) wird verwendet, was zur erhöhten Belastungsfähigkeit und Sicherheit (verringerte Brandgefahr) der Batteriezelle beiträgt.

Separator: Ein dünnes Glasfasergewebe trennt die Elektroden, um Kurzschlüsse zu verhindern.

Herstellungsprozess (Chalmers-Prototyp):

Layup: Die Elektrodenschichten (Kohlefaserverbund für die negative Elektrode, Aluminiumfolie beschichtet mit LFP für die positive Elektrode) und der Separator (dünne Glasfasertrennschicht) werden in einer spezifischen Reihenfolge in eine hitzeversiegelbare Kunststoffhülle (Pouch Bag) eingelegt.

Elektrolytzugabe: Ein halbfestes Polymer-Elektrolyt-Gemisch (SBE) wird mittels Tropfer oder Spritze zwischen die Schichten eingebracht.

Vakuumversiegelung: Die Hülle wird unter Vakuum heissversiegelt, um Lufteinschlüsse zu vermeiden und eine dichte Zelle zu schaffen.

Pressen und Aushärten (Curing): Die Schichten werden unter kontrolliertem Druck zusammengepresst, um Kontaktwiderstände zu minimieren. Anschliessend wird die Zelle in einem Ofen (z.B. bei 90°C für 1 Stunde) ausgehärtet, damit das Elektrolyt polymerisiert und die Struktur ihre finale Festigkeit erhält.

Herstellungsprozess (KAIST Forschungsgruppe):

Eine Forschergruppe am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hat eine hochverdichtete, multifunktionale Strukturbatterie durch Vakuumpressen entwickelt. Diese Methode nutzt Wärmedruck und Vakuum, um Materialien zu formen und hohe Festigkeit und Konsistenz zu gewährleisten.

Diese Technik hat es ermöglicht, den Volumenanteil der Kohlenstofffasern in ihren Batterien im Vergleich zu früheren Kohlefaser-basierten Batterien um über 160 % zu steigern.

Die KAIST-Forschenden nutzen eine Kombination aus einfachem Epoxidharz und einem komplexeren Carbonatelektrolyt auf Basis eines festen Polymerelektrolyten.

Die Entwicklung dieser Materialien, die gleichzeitig als Strukturelemente und Batterien fungieren, ist komplexer und zeitaufwendiger als die Konzentration auf nur eine Funktion. Obwohl bereits beachtliche Durchbrüche erzielt wurden, befindet sich die Technologie noch weitgehend in der Laborphase und erfordert erhebliche Investitionen für die Massenproduktion.

Welche Patente gibt es zu Strukturbatterien?

Im Bereich der Strukturbatterien gibt es bereits Anmeldungen von Patenten, die das grosse Potenzial dieser Technologie unterstreichen. Airbus hat bereits 2017 ein Patent für die Anwendung von Strukturbatterien angemeldetsw. Der Flugzeughersteller ist scheinbar so überzeugt vom Potenzial solcher Batterien, dass er ein Patent auf ihre Verwendung in Flugzeugrümpfen oder auch in den Tragflächen angemeldet hat.

Neben Airbus verfolgen auch andere Akteure Ansätze in diese Richtung:

Tesla und andere Unternehmen nutzen bereits das gesamte Batteriepack als Strukturelement des Fahrzeugs durch ihr sogenanntes "cell-to-body"-Konzept. Dies reduziert Material, spart Gewicht und senkt Kosten. Im Model Y findet dieser Ansatz Anwendung, wobei das Bedienhandbuch darauf hinweist, die Karosserie nur an vier speziellen Hebepunkten anzuheben, um Beschädigungen an der Strukturbatterie zu vermeiden. Allerdings räumt selbst Tesla ein, dass hier noch sehr grosser Optimierungsbedarf besteht.

Die Idee, Materialien zu entwickeln, die sowohl Energie speichern als auch Lasten tragen können, ist nicht neu und wird schon lange verfolgt. Erste Versuche unternahm ein Forschungslabor der US-Armee bereits 2007.

Chinesische Hersteller arbeiten ebenfalls an der Technologie.

Welches sind die Anwendungen von Strukturbatterien?

Innovative Materialien kombinieren die Speicherung elektrischer Energie mit der Fähigkeit, mechanische Lasten zu tragen, und erfüllen somit eine doppelte Aufgabe. Sie speichern Energie und halten Dinge zusammen. Dieser "masselose" Ansatz verspricht eine radikale Reduzierung von Gewicht und Energieverbrauch in zahlreichen Anwendungen. Doch wo genau könnten diese "Power-Strukturen" ihren Einsatz finden?

Luftfahrt.

Leichter in die Lüfte Einer der augenscheinlichsten Vorteile der Gewichtseinsparung liegt in der Luftfahrt. Hier könnten Strukturbatterien elektrische Flugzeuge endlich durchstarten lassen. Das Konzept, dass ein Bauteil sowohl Struktur als auch Energiespeicher ist, findet sich beispielsweise in der Analogie, dass der Flügel eines Flugzeugs der Kerosintank ist. Flugzeughersteller wie Airbus haben das Potenzial erkannt und bereits 2017 ein Patent für die Anwendung von Strukturbatterien in Flugzeugrümpfen oder Tragflächen angemeldet. Auch für Drohnen und Satelliten wäre der Ansatz vielversprechend, da sie nicht unendlich grosse Batterien transportieren können und Akkus dort bisher als Ballast mitgeschleppt werden müssen.

Elektrofahrzeuge.

Mehr Reichweite, weniger Gewicht Auch für Elektrofahrzeuge bieten Strukturbatterien enormes Potenzial, da hier Batterien und der Strukturrahmen typischerweise zwei der schwersten Komponenten sind. Wenn diese geschickt miteinander verschmelzen, könnten wir Gewicht und Platz einsparen und grössere Reichweiten schaffen.

• Ganzheitliche Integration: Das Batteriematerial könnte Teil des eigentlichen Konstruktionsmaterials eines Produkts werden. Es könnte das Fahrgestell von E-Autos stabilisieren oder sogar das gesamte Chassis als Batterie dienen. Dies würde den Bedarf an Stahl und Aluminium für die Karosserie reduzieren und separate Batteriegehäuse sowie Verkabelung und Kühlsysteme überflüssig machen.
• Reichweitensteigerung: Berechnungen zeigen, dass Elektroautos mit wettbewerbsfähigen Strukturbatterien bis zu 70 Prozent länger fahren könnten als heute. Das geringere Gesamtgewicht würde zudem den Energiebedarf für den Antrieb eines Elektroautos drastisch senken.
• Aktuelle Ansätze: Unternehmen wie Tesla nutzen bereits einen ähnlichen Ansatz mit ihrem "cell-to-body"-Konzept, bei dem das gesamte Batteriepack als Strukturelement des Fahrzeugs dient, um Material, Gewicht und Kosten zu reduzieren. Im Model Y wird dies angewandt, wobei spezielle Hebepunkte auf die integrierte Strukturbatterie hinweisen. Auch chinesische Hersteller arbeiten an dieser Technologie.
• Weitere Mobilitätsanwendungen: Neben Autos könnten Strukturbatterien auch in Strassenbahnen, Eisenbahnen oder Elektrofahrrädern eingesetzt werden.

Tragbare Elektronik und Kleingeräte.

Dünner und leichter Im Bereich der Unterhaltungselektronik könnten Strukturbatterien wahre Wunder wirken. Sie könnten das Gewicht von Tablets oder Smartphones um die Hälfte reduzieren. Konkret könnten Mobiltelefone so dünn wie eine Kreditkarte werden oder Laptops nur noch halb so viel wiegen. Auch in Handwerkzeugen sehen Forscher grosses Potenzial.

Medizintechnik und Mikrogeräte.

Winzige Kraftpakete Wissenschaftler liebäugeln sogar mit einem Einsatz in Mikrogeräten aus der Medizin, die kleiner als eine Fingerkuppe sind. Implantierbare Sensoren und Mikroroboter könnten durch winzige Strukturbatterien noch kleiner werden und ohne sperrige Akkus auskommen.

Hürden und Ausblick.

Trotz dieser vielversprechenden Anwendungen ist die Entwicklung von Materialien, die sowohl als Strukturelemente als auch als Batterien funktionieren, sehr komplex und zeitaufwendig. Die meisten Innovationen stammen derzeit noch aus dem Labor und haben die Schwelle zur breiten kommerziellen Anwendung noch nicht überschritten.Es wird erwartet, dass erste Anwendungen energiespeichernder Strukturwerkstoffe mittelfristig in grossstückzahl gefertigten Produkten wie Smartphone-Gehäusen realisiert werden könnten. Eine breite Nutzung in anspruchsvolleren Anwendungen wie Autos oder Flugzeugen wird hingegen noch lange dauern und erfordert erhebliche Investitionen in die Entwicklung. Die Forschungsgruppe der Chalmers University of Technology, die hier federführend ist, hat zur Kommerzialisierung der Technologie bereits das Unternehmen Sinonus AB gegründet.

Obwohl noch viele Herausforderungen wie die Grossproduktion, Recyclingfragen und die Langzeitstabilität zu meistern sind, sind Strukturbatterien ein vielversprechender Kandidat, um das Design und die Effizienz unserer zukünftigen Geräte und Fahrzeuge zu revolutionieren.

Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Quellen: Internet, Stand Juni 2025