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Neue Beschichtung macht Carbonfasern zu aktiven Batterieelektroden
Strukturbatterien sollen tragende Bauteile zugleich zu Energiespeichern machen und dadurch zusätzliche Batteriemasse vermeiden. Ein neuer Kohlefaser-Verbund auf Zinkbasis verbindet nun Lastaufnahme und Energiespeicherung mit einer Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen. Der Labordemonstrator bleibt bei Energie- und Strukturleistung noch klar hinter getrennten Referenzsystemen zurück, zeigt aber einen Weg zu Bauteilen mit mehreren technischen Aufgaben.
Waurn Ponds (Australien). Batterien sind in Fahrzeugen, Fluggeräten oder anderen elektrifizierten Systemen meist zusätzliche Bauteile, während Kohlefaserverbunde getrennt davon die mechanischen Lasten tragen. Strukturbatterien sollen diese Trennung aufheben, indem dasselbe Material Energie speichert und zugleich Teil der tragenden Struktur wird. Gelingt diese Kombination ohne zu große Einbußen, könnte sie auf Systemebene Masse und Bauraum einsparen.
Bisherige Strukturbatterien beruhen überwiegend auf Lithiumchemien, deren Übertragung in lasttragende Verbundwerkstoffe zusätzliche Anforderungen an Sicherheit, Fertigung und Materialverträglichkeit stellt. Die neue Arbeit untersucht deshalb eine Zink-Manganoxid-Chemie in einem Kohlefaserverbund, der gleichzeitig elektrochemisch aktiv, mechanisch belastbar und elektrisch leitfähig bleiben soll.
Dazu haben die Forscher die Oberfläche der Kohlefasern in einem zweistufigen elektrochemischen Verfahren gezielt verändert. Für die beiden Elektroden lagerten sie Zink beziehungsweise Manganoxid als nanoskalige Schichten auf den Fasern ab, ohne die Kohlefaser nur als passiven Träger zu verwenden. Die beschichteten Fasern sollen dadurch Ladung speichern und übertragen, zugleich aber weiterhin zur mechanischen Funktion des Verbunds beitragen.
Zwischen den Elektroden setzte das Team einen maßgeschneiderten festen Polymer-Elektrolyten ein, also ein festes Material, das Zink-Ionen zwischen den Elektroden transportieren kann. Er enthält ein Zinksalz in Propylencarbonat und ein photohärtbares Harz, das sich in die Verbundfertigung integrieren lässt. Bei 25 Grad Celsius erreichte der Elektrolyt eine Ionenleitfähigkeit von 4,31 × 10⁻⁴ Siemens pro Zentimeter und ein elektrochemisches Stabilitätsfenster von 3,75 Volt.
Die Verbunde wurden unter normalen Laborbedingungen mit etablierten Verfahren der Verbundfertigung hergestellt. Bei einer Entladerate von C/4 lieferte das System eine stabile spezifische Entladekapazität von 13,5 Milliamperestunden pro Gramm. Damit demonstriert die Arbeit eine funktionsfähige Zink-Speicherchemie direkt in einem Kohlefaserbauteil, ohne bereits eine industrielle Fertigung oder einen praxistauglichen Energiespeicher zu belegen.
Die Oberflächenmodifikation wirkte sich zugleich auf die mechanische Verbindung zwischen Faser und Matrix aus. Die interlaminare Scherfestigkeit, also der Widerstand gegen ein Gleiten zwischen Verbundschichten, erreichte bis zu 0,63 Megapascal und lag damit rund 59 Prozent über einem vergleichbaren Verbund mit unbehandelten Kohlefasern. Auch die in den Versuchen bestimmte Zähigkeit stieg bei den besten Varianten deutlich an.
Als dritte Funktion untersuchten die Forscher die Abschirmung elektromagnetischer Störungen, die etwa für Elektronik in Fahrzeugen und Fluggeräten relevant sein kann. Funktionalisierte Kohlefasern schnitten dabei besser ab als unbehandelte Fasern, wobei die Studie für zwei besonders wirksame Varianten Abschirmwerte von −43 beziehungsweise −62 Dezibel ausweist.
Die Mehrfachfunktion geht allerdings mit deutlichen Leistungskompromissen einher, die für eine praktische Anwendung entscheidend sind. Die gemessene Energiedichte des Zink-Verbunds lag auf Zellebene bei rund 5 Wattstunden pro Kilogramm, während die Studie für eine Referenz-Zink-Manganoxid-Batterie etwa 50 Wattstunden pro Kilogramm ansetzt. Beim elastischen Modul stehen rund 2 Gigapascal für den Strukturbatterie-Verbund etwa 30 Gigapascal eines automobilen Kohlefaser-Verbundwerkstoffs gegenüber.
Das Material ist