Autos aus Batterien zu bauen ist nicht so verrückt, wie es sich anhört

Die hohen Kosten und die begrenzte Reichweite von Elektrofahrzeugen können dazu führen, dass sie sich schwer verkaufen lassen, und ihre teuerste und einschränkendste Komponente sind ihre Batterien.

Stromkabel: Ein Forscher installiert einen neuen Kofferraumdeckel aus Kohlefasern, die Strom speichern.

Batterien eröffnen aber auch neue Gestaltungsmöglichkeiten, weil sie sich mehr formen lassen als Benzintanks und weil sie aus tragenden Materialien gefertigt werden können. Wenn ihre Chemie sicherer gemacht werden kann, könnten Batterien herkömmliche Türverkleidungen und andere Karosserieteile ersetzen und ein Fahrzeug möglicherweise deutlich leichter, geräumiger und billiger machen. Dies könnte dazu beitragen, dass Elektroautos mit Benzinmotoren konkurrieren können.

Tesla Motors und Volvo haben frühe Versionen des allgemeinen Ansatzes demonstriert, indem sie Batteriepakete gebaut haben, die einen Teil des Strukturmaterials in einem konventionellen Auto ersetzen können. Dutzende anderer Forschungsgruppen und Unternehmen unternehmen weitere Schritte, um Batterien herzustellen, die bestehende Karosserieteile wie Karosserieteile und Rahmen ersetzen.

Die Möglichkeit, Batterien als Strukturmaterialien zu verwenden, wird derzeit durch die Verwendung brennbarer Elektrolyte eingeschränkt, aber die Forscher entwickeln sicherere Chemikalien, die breiter eingesetzt werden könnten. Der Ansatz wirft auch einige praktische Fragen auf: Können die energiespeichernden Karosserieteile so konstruiert werden, dass das Auto auch bei Dellen noch funktioniert? Und wie teuer wird die Karosserie? Unter dem Druck, mehr Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge zu verkaufen, könnten sich Autohersteller jedoch dem Ansatz zuwenden, um die strengen zukünftigen Kraftstoffverbrauchsstandards zu erfüllen.

Batterien sind der teuerste Einzelartikel in Elektroautos, daher würden auch Elektrofahrzeuge billiger, wenn sie billiger würden. Aber auch ohne bedeutende Durchbrüche könnten neue Batteriedesigns ein Auto leichter machen.

Ein Beispiel ist die Art und Weise, wie Tesla die Batterie für das Model S konstruiert hat. Das Metallgehäuse, das die Batterie schützt, dient auch dazu, den Autorahmen steifer zu machen und den Gesamtverbrauch an Metall zu reduzieren (siehe Wie Tesla die Elektroauto-Innovation vorantreibt).

In diesem Monat demonstrierte Volvo einen weiteren Ansatz mit Lithium-Ionen-Batterien, die aus dünnen Materialschichten bestehen, die zu einer Batteriezelle aufgerollt oder gefaltet werden. Forscher am Technische Universität Luleå in Schweden in Zusammenarbeit mit Volvo diese Folien zwischen Platten aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff geschichtet. Die resultierende Struktur wurde verwendet, um Kunststoffkarosserieteile und eine kleine konventionelle Batterie bei einer Hybridversion des Volvo S80 zu ersetzen. (Das Auto ist ein Stop-Start-Hybrid, das eine Batterie verwendet, um es zu ermöglichen, den Motor abzustellen, wenn das Auto nicht fährt.)

Das US-Energieministerium Advanced Research Projects Agency for Energy gibt 37 Millionen US-Dollar für Projekte aus, bei denen Batterien als Strukturmaterialien verwendet werden sollen. (Das Programm heißt RANGE, was für Robuste, erschwingliche Energiespeichersysteme der nächsten Generation steht). In zwei ARPA-E-Projekten suchen Forscher nach Wegen, Batteriepakete so zu konstruieren, dass sie bei einem Aufprall Energie absorbieren, um Materialien zu ersetzen, die heute zum Schutz der Passagiere verwendet werden. Anstatt Batteriezellen in einen festen Block zu packen, könnten die Zellen beispielsweise bei einem Unfall aneinander vorbeilaufen und dabei Energie abbauen.

Die meisten der bisher untersuchten Ansätze verwenden noch konventionelle Batteriezellen – die Teile des Packs, die tatsächlich Energie speichern. Wenn sicherere Batteriezellen hergestellt werden können, würde dies noch mehr Flexibilität bei der Gestaltung eines Autos bieten. Sie müssen sie nicht in Schutzhüllen einschließen oder ihre Temperatur regulieren, um Batteriebrände zu verhindern.

Wenn Sie nicht davon besessen sind, Batterien zu schützen, können Sie viel kreativer sein. Sie sind nicht auf die Architektur konventioneller Autos beschränkt, sagt Ping Liu , der das RANGE-Projekt von ARPA-E verwaltet und mitgestaltet hat.

Zu diesem Zweck entwickeln mehrere Forscher neue Chemikalien, die keine brennbaren Elektroden verwenden, sodass die Batterien sicher als Türverkleidungen verwendet werden könnten. Sie erwägen, flüchtige Elektrolyte durch weniger brennbare Polymere, Materialien auf Wasserbasis und Keramik zu ersetzen (siehe Festkörperbatterien). Sobald sie einen sichereren Elektrolyten haben, werden die Forscher nach Möglichkeiten suchen, die Batterieelektroden in einer Zelle zum Tragen von Lasten zu nutzen.

Volvo hat eine experimentelle Version dieses Ansatzes, bei der Kohlefasern in Verbundwerkstoffen verwendet werden, um Strom zu speichern und zu leiten, aber auch um die Verbundwerkstoffe zu verstärken. Das Gerät war in Form eines Kofferraumdeckels ausgebildet. Aber es konnte nur genug Strom produzieren, um einige LEDs zum Leuchten zu bringen, also konnte es die Batterie in einem Elektroauto oder Hybrid nicht ersetzen. Eine neuere Version wird entwickelt bei Imperial College in London ersetzt das Epoxid, das normalerweise Kohlenstofffasern in einem Verbundwerkstoff zusammenhält, durch eine Mischung aus steifen Materialien und ionischen Flüssigkeiten, die geladene Moleküle leiten können. Dies bildet eine Art Superkondensator, der genug Energie speichern könnte, um anstelle einer Batterie in einem Stopp-Start-Hybrid verwendet zu werden.

Bei Elektroautos und Hybriden mit größeren Batterien speichern Superkondensatoren nicht genug Energie. Um für genügend Reichweite zu sorgen, entwickeln einige Forscher daher Lithium-Ionen-Batterien, die für eine Elektrode Kohlefasern verwenden, für die andere jedoch konventionelle Lithium-Ionen-Materialien verwenden. Andere haben einen nichtflüchtigen Polymerelektrolyten entwickelt, um herkömmliche, brennbare Elektrolyte zu ersetzen. Das resultierende Material wird es ermöglichen, zwei Jobs mit einer Sache zu erledigen, sagt Leif Asp , Professor an der Universität Luleå. Mehrere ARPA-E-Projekte verfolgen diesen Ansatz.

Diese neuen Elektrolyte und tragenden Batteriezellen sind jedoch wahrscheinlich noch mehr als ein Jahrzehnt davon entfernt, in Autos nützlich zu sein. Es wird schwierig sein, sicherzustellen, dass die Batterie große Energiemengen speichert und auch als strukturelles Bauteil stark genug sein kann.

Asp sagt, die ersten Anwendungen könnten in der tragbaren Elektronik liegen, wo tragende Batterien herkömmliche Kunststoffgehäuse ersetzen könnten. Aber wenn Autoteile eines Tages aus solchen Materialien hergestellt werden können, könnten Batterien endlich von einem limitierenden Faktor zu einem Verkaufsargument werden.

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