Akkutechnik: Das Märchen von der masselosen Strukturbatterie

Akkus, die gleichzeitig steife Strukturen sind, sollen ein großer Durchbruch sein. Aber ein näherer Blick zeigt schlechte Leistung und falsche Behauptungen.

Eine Analyse von veröffentlicht am
Strukturelle Batterien sollen angeblich viel Gewicht einsparen.
Strukturelle Batterien sollen angeblich viel Gewicht einsparen. (Bild: Chalmers Universität)

Als "großen Durchbruch" bezeichnet die schwedische Chalmers Universität ihre Arbeiten an sogenannten masselosen Strukturbatterien und hat dazu auch ein Paper in der Fachzeitschrift Advanced Energy and Sustainability Research veröffentlicht. Angeblich sollen diese es möglich machen, Energie in den Strukturen von Fahrzeugen und Flugzeugen zu speichern und dabei Gewicht einzusparen. Dieses Versprechen können sie mit einem näheren Blick auf die Zahlen aber keinesfalls einhalten, nicht einmal mit den optimistischsten Annahmen der Forscher.

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Bei der Technologie handelt es sich um herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Aber anstatt die Lithium-Ionen beim Laden des Akkus in einer Graphitanode zu speichern, besteht die Anode aus Kohlefaser. Anstelle eines flüssigen Elektrolyten wird ein Polymer verwendet. Es soll die Lithium-Ionen leiten und gleichzeitig die Kohlefasern zusammenhalten, wie ein Epoxydharz in einem Kohlefasermaterial.

Das Vorgehen hat eine Reihe von Nachteilen. Das Polymer kann nicht mehr für bestmögliche mechanische Eigenschaften optimiert werden. Kohlefasern sind als Anode schlechter geeignet als Graphit und für moderne Lithium-Ionen-Akkus ist Graphit längst nicht mehr gut genug. Es wird durch Anteile von Silizium ersetzt oder ganz vermieden, um Gewicht und Volumen einzusparen. Gleichzeitig wird die Konstruktion komplexer, teurer und schwerer als die moderner Akkus und auch komplexer als die von reinem Kohlefasermaterial. Denn neben den Kohlefasern müssen auch noch Schichten von Separator- und Kathodenmaterial und die elektrischen Kontakte verarbeitet werden.

Forscher verwenden falsche Zahlen

Um die Forschung dennoch in einem positiven Licht darzustellen, werden von der Forschungsgruppe eine Reihe von Behauptungen aufgestellt, die grundlegend falsch sind. Die präsentierte Strukturbatterie hat mit 24 Wh/kg die Energiedichte eines schlechten Bleiakkus. In der Pressemeldung der Universität heißt es, das seien 20 Prozent der Kapazität aktuell verfügbarer Lithium-Ionen-Akkus. Aber Akkus mit 240 Wh/kg sind längst verfügbar und Teslas neue 4680-Zellen erreichen 300 Wh/kg. Damit hat der Prototyp nur 8 bis 10 Prozent der Energiedichte aktueller Akkus.

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Auch im Artikel der Fachzeitschrift wird trotz des obligatorischen Peer Reviews mit falschen Zahlen gearbeitet. Der Artikel behauptet etwa, dass die Akkus 25 Prozent des Gewichts eines Tesla S ausmachten. Tatsächlich wiegt das 85kWh Akkumodul des Autos 540 Kilogramm, aber nur rund 350 Kilogramm davon sind auch Akkuzellen. Der Rest sind die Strukturen zum Schutz der Zellen.

In neueren Autos wie dem Tesla 3 sind diese Akkumodule gleichzeitig ein fester Bestandteil der Karosserie, um Gewicht zu sparen. Bei diesen Akkumodulen handelt es sich also längst um strukturelle Akkus. Das Prinzip sollen die ohnehin notwendigen steifen Akkugehäuse der 4680-Zellen noch weiter verbessern, indem sie mit dem Material des Moduls fest verklebt werden. Trotzdem wird im wissenschaftlichen Paper behauptet, dass "aktuelle Batteriesysteme nur Gewicht und keinen Beitrag zur Struktur eines Systems leisten".

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Kohlefaser und Akku sind getrennt leichter als zusammen

Laut Projektleiter Leif Asp könnten die Akkus theoretisch eine Energiedichte von 75 Wh/kg und mit Aluminium vergleichbare mechanische Eigenschaften haben. Das bedeutet aber, dass sich selbst die besten theoretisch möglichen Strukturbatterien durch schon heute verfügbare Akkus mit einem Viertel des Gewichts und einfache Kohlefaserstrukturen mit dem halben Gewicht ersetzen lassen. Dabei wären die Strukturakkus notwendigerweise teurer als Kohlefaserstrukturen mit vergleichbarer Stärke und herkömmliche Akkus.

Der Grundgedanke, Materialien für mehrere Zwecke zu verwenden, ist nicht verkehrt. Aber bei diesem konkreten Fall der Mehrfachverwendung müssen so schlechte Kompromisse geschlossen werden, dass die getrennte Verwendung spezialisierter Materialien sowohl leichter als auch billiger ist als die Kombination von Akku und Struktur in einem Material.

Der Versuch, dennoch einen besseren Kompromiss zu finden, kann weder den Forschern noch der Universität vorgeworfen werden. Der Versuch, die Öffentlichkeit durch falsche Behauptungen von masselosen Akkus und Vergleichen mit falschen Zahlen von ihrer Arbeit zu überzeugen, hingegen schon.

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Peter1965 31. Mär 2021

Wo steht, dass es sich um fundamentale Grundlagenforschung handelt? Wie ich bereits an...

Eldark 31. Mär 2021

Gibt es bei ein kleinen Auffahrunfall dann ein mega Kurzschluss und glüht mir dann sofort...

elf 31. Mär 2021

Geschweige denn Fahrrad, die sind ja noch leichter.

Peter1965 31. Mär 2021

Dankeschön für diese schonungslose Offenlegung. Ich sitze, wie bei ARD&ZDF, beruflich in...



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