Auf dem Batteriemarkt gibt es gefühlt jeden Tag eine neue Schlagzeile. Höhere Energiedichten, mehr Ladezyklen, größere Reichweiten. Batterien sind inzwischen schon richtig stark. Wenn wir aber noch mehr rausholen wollen, dann muss ein zentrales Problem gelöst werden und zwar das Gewicht der Batterie. Was wäre also, wenn Batterien direkt als Bauteil ins Auto oder Flugzeug verbaut sind und dadurch praktisch kein Gewicht [musik] mehr hätten? Genau das ist die Idee der Strukturbatterien. Über die habe ich vor 5 Jahren schon mal ein Video auf diesem Kanal gemacht. Deswegen will ich heute schauen, was hat sich seitdem auf dem Gebiet getan und wie hoch ist das Potenzial der Strukturbatterien wirklich? Das erfahrt ihr in diesem Video. Und damit willkommen bei Breaking Lab Jakob hier und los geht's. Also, Spitzenreiter im Bereich Batterien ist und bleibt seit Jahren die Lithium Ionenbatterie. Die Vor und Nachteile, die habe ich ja wirklich schon rauf und runter besprochen. Der wichtige Punkt heute ist, Batterien sind zu schwer. Lithium Batterien, die bestehen z.B. zu knapp 70% aus Materialien, die keine [musik] Energie speichern. In einem Tesla macht allein die Batterie z.B. ein Viertel vom gesamten Gewicht aus. Das Gewicht, das ist ein Teufelskreis. Damit Autos eine höhere Reichweite haben, muss die Batterie [musik] größer sein und damit natürlich auch schwerer. Und mehr Gewicht bedeutet dann auch wiederum, man braucht mehr Energie, um das Auto anzutreiben. Um die Energiedichte weiter zu steigern, muss man also gewichtlos werden. Und genau hier kommt die Strukturbatterie ins Spiel. Sie sollen gleichzeitige Lasten tragen und elektrische Energie speichern. Wenn das klappt, dann wären die Batterien besonders spannend für Autos, aber halt auch für Flugzeuge. Dort könnte sie direkt als Teil der Struktur integriert werden, also z.B. als Autoboden oder halt auch als tragendes Teil im Flugzeug. [musik] Wie das aussehen könnte, das zeigt z.B. General Motors. Je nach Größe des Autos können hier bis zu 24 Batteriepacks direkt in die eigentliche Autostruktur, in dem Fall in den Boden neben und aufeinander gestapelt werden. Die Batteriepacks, die liegen also nicht nur auf einem Blech, sondern sie sind wirklich das tragende Bauteil. Und das soll nicht nur im Autoboden funktionieren, sondern die Strukturbatterien, die sollen auch im Autodach oder in der Tür verbaut werden. Die Batterien, die werden oft als masselos bezeichnet. Das sind sie natürlich nicht wirklich, aber dadurch, dass sie direkt in der Karosserie verbaut sind, entsteht kein zusätzliches Gewicht. So könnten bis zu 20% Gesamtgewicht gespart und so die Energiedichte erhöht werden. Litium Iionenbatterien sind für sowas gar nicht geeignet, weil der Aufbau und die einzelnen Komponenten nicht die richtigen mechanischen Eigenschaften haben. Sie sind nicht fest genug und können deswegen keine tragende mechanische Funktion in einem Autoteil übernehmen. Um so eine Strukturbatterie wirklich zu realisieren, braucht es also ein Material, das genau diese Voraussetzung erfüllt und dafür könnten sich Carbonfasern eignen. Vor knapp 20 Jahren haben Forscher das erste Mal mit Carbonfasern als negative Elektrode experimentiert. Dabei wurde schnell klar, Carbonfasern haben zwar sehr gute mechanische Eigenschaften, aber die elektrochemische Performance, die lässt deutlich zu wünschen übrig. Und in den Jahren danach wurde ziemlich viel ausprobiert, aber Carbonfaser hat nie so richtig gut gepasst. Entweder waren nur die mechanischen oder die elektrochemischen Eigenschaften passend, aber nie beides. 2021 schafft eine Forschungsgruppe aus Schweden dann aber endlich den Durchbruch. tatsächlich mit Carbonfaser. Die Strukturbatterie aus Schweden, die unterscheidet sich in ihrem grundsätzlichen Aufbau erstmal nicht großartig von anderen Batterien. Sie besteht grundsätzlich auch aus zwei Elektroden, einem Elektrolyten und einem Separator, die als Schichten gestapelt werden. Starten wir mal mit der negativen Elektrode. Hier kommt auch schon die Carbonfaser zum Einsatz. Aber warum eigentlich genau dieses Material? Also Carbonfasern, die sind extrem fest und steif und dabei im Vergleich zu Stahl knapp fünf mal leichter. Deswegen werden sie schon lange in Bereichen mit hoher Belastung genutzt, bei denen das Gewicht aber möglichst gering sein soll, z.B. in der Raumfahrt oder eben auch bei sowas wie so richtig sportlichen Fahrrädern. Der zweite Faktor sind die elektrochemischen Eigenschaften von Carbonfasern. Und hier ist das Motto auf jeden Fall Carbonfaser ist nicht gleich Carbonfaser. Es haben zwar alle Varianten elektrochemische Leistungsfähigkeit, aber trotzdem sind nicht alle für Batterien geeignet. Wenn das Material als Elektrode eingesetzt werden soll, muss es Litiumon von der Kathode einlagern können. Ob das klappt, das hängt stark von der [musik] inneren Struktur der Carbonfasern ab, also davon, wie die Graffitkristalle angeordnet sind. Wenn sie sehr regelmäßig und dicht gepackt sind, wird das Material extrem steif und dadurch mechanisch super. Aber Lithium kommt dann eben schlecht rein und deswegen setzt man bei Strukturbatterien auf Polyakrylonitrile oder kurz Pan Carbonfasern mit mittlerer Steifigkeit, in die sich das Lithium aber viel besser einlagern kann. Die Carbonfasern, die die schwedischen Forscher entwickelt haben, können also Lasten tragen und elektrische Energie speichern und erfüllen damit auf jeden Fall die grundlegenden Ansprüche an das Material. Aber für eine vollständige Batterie fehlen natürlich noch ein paar Komponenten, z.B. die positive Elektrode, die besteht bei den ersten Prototypen noch aus einer Aluminiumfolie, die mit Lithiumeisenphosphat beschichtet war. Seitdem hat sich da ein bisschen was getan. Vor zwei Jahren hat das Team den nächsten Prototypen vorgestellt. Die größte Veränderung ist aber wahrscheinlich die positive Elektrode. Die besteht bei den neuen Prototypen nämlich nicht mehr nur aus einer beschichteten Alufolie, sondern auch aus Carbonfasern, die genauso wie die Alufolie auch mit Lithiumeisenphospfat beschichtet wurden. Carbonfasern als positive Elektrode, die wurden tatsächlich auch vorher schon mal ausprobiert, aber die Prototypen, die haben häufig schon nach 100 Zyklen mehr als die Hälfte ihrer Kapazität verloren. Es lag vor allem daran, dass die Lithiumbeschichtung nicht stark genug an den Carbonfasern haften konnte. Dieses Problem, das konnten die Forscher aus Schweden aber lösen. Deren positive Elektrode hat auch nach mehr als 1000 Zyklen nicht an Kapazität verloren. Und die Studie zeigt, die Carbonfasern als positive Elektrode, die funktionieren, begünstigen elektrokemische Reaktion und machen die Batterie noch fester. Aber nicht nur die neue Elektrode sorgt für mehr Steifigkeit, sondern auch der neue Separator aus Zellulose. Der verdreifacht die Steifigkeit der Batterie, also von 25 Gapcal auf mehr als 75 Gascal. Das heißt konkret, das Material ist viel stabiler als vorher und schon mal genauso steif wie Aluminium. Und der Separator, der kann noch mehr z.B. Kurzschlüsse zwischen den Elektroden verhindern und die Ionenwanderung erleichtern. Das Wichtigste ist aber wahrscheinlich, dass auch die Energiedichte verbessert werden konnte von 24 Wattstunden pro Kilogramm auf 30 Wattstunden pro Kilogramm. Die Energiedichte ist damit zwar höher, aber ehrlich gesagt immer noch ziemlich gering. Aber man braucht mit der Strukturbatterie ja auch weniger Energie, um das leichtere Fahrzeug anzutreiben. Die schwedischen Forscher selbst sagen, Elektroautos könnten mit Strukturbatterien in Zukunft bis zu 70% länger fahren. [musik] Das müssen wir uns jetzt mal anschauen und zwar im großen aber und da sind auch noch ein paar andere Punkte, wo ich skeptisch geworden bin. Das machen wir jetzt. Aber vorher lasst gerne noch ein Abo da und aktiviert die Glocke, damit ihr kein Video mehr verpasst. Also, ich habe es gerade schon angedeutet. So vielversprechend die Idee hinter Strukturbatterien auch klingt, es gibt noch ein paar grundlegende Probleme. Neben der geringen Energiedichte gibt es einige Kritikpunkte, vor allem die Sicherheit und die Langzeitstabilität von Strukturbatterien. Das Ding ist, bei Strukturbatterien kommen zwei Welten zusammen, die sich eigentlich nicht so [musik] gut vertragen. Mechanik und Elektrochemie. Und das macht die Entwicklung so unfassbar kompliziert. Also beim Laden und Entladen wandern ja Litiumonen durch das Material und sorgen dabei dafür, dass sich die Elektroden immer wieder ausdehnen und zusammenziehen. Und dabei entstehen Spannung im Material, die langfristig zu kleinen Rissen oder schlechterem Kontakt zwischen den einzelnen Komponenten führen. Und dadurch wird natürlich auch die Leistung der Batterie mit der Zeit immer schlechter. Gleichzeitig sind Strukturbatterien viel stärkeren Belastung ausgesetzt als andere Batterien. Also schon allein sowas wie Regen, Vibration, Temperaturschwankung, Perform und so weiter, das kriegen die intensiver ab. [musik] Das kann zu Verpuffung führen, aber auch die Kapazität und der elektrochemische Prozess werden davon stark beeinflusst. Und die Litiumonen, mit denen die positive Elektrode beschichtet ist, die können sich z.B. ungleichmäßig verteilen. Die mechanische Belastung beeinflusst also die Batterie und die Batterie die mechanische Stabilität. Es kommt zu Rissen, Schichten können sich voneinander lösen und auch die Carbonfasern selbst könnten irgendwann brechen. Dann hat man aber nicht nur eine kaputte Batterie, sondern muss im Zweifel gleich ganze Strukturteile ersetzen. Das hat aber nicht nur die fehlende Langzeitstabilität ein Problem, sondern vor allem auch die Sicherheit. Die wichtigste Sicherheitsfrage ist da wahrscheinlich: Wie performen Strukturbatterien eigentlich bei Unfällen? Da müssen Sie den Impact ja als Teil der Karosserie abfedern. Bevor die Forscher also überhaupt an den nächsten Schritt denken können, müssen erstmal die grundlegenden technischen Probleme gelöst werden. Und selbst wenn man all diese Probleme mal in den Griff bekommen sollte, bleibt noch die Frage nach Kosten und Wartung. Also Carbonfasern sind z.B. teuer, die Herstellung ist sehr, sehr aufwendig und dann an die Teile ranzukommen natürlich auch super schwierig, wenn sie Strukturteile von z.B. einem Auto oder einem Flugzeug sind. Und deshalb ist mein Fazit auch rund 5 Jahre nach meinem ersten Video zu der Technologie leider nicht so optimistisch. also zumindest für Autos. Ob sich die Technik langfristig vielleicht für z.B. Flugzeuge lohnen könnte, das finde ich persönlich noch spannend, denn hier könnte man argumentieren, dass der zusätzliche Aufwand es wert ist und hier ist das Thema Gewicht ja auch noch mal relevanter, aber dann bleibt natürlich das Thema [musik] von der Energiedichte, wobei vielleicht schaffen wir da noch einige Fortschritte in Zukunft. Aber wie schätzt ihr die Technologie ein und zu welchen weiteren Videos würdet ihr euch noch ein Update wünschen? Ich kann schon mal so viel verraten. An einem Update und zwar zur Wasserstoffpaste bin ich auf jeden Fall dran. Von der Technik war ich ja damals extrem überzeugt und tatsächlich habe ich gehört, dass es da News gibt. Spreche ich gerade mit dem Forschungsleiter da und hoffentlich gibt's dann bald auch dazu ein neues Video. Also Abo lohnt sich auf jeden Fall und jetzt sage ich mal macht's gut, ihr Lieben. Bis zum nächsten Mal. Euer Jakob. Ah.