Am kommenden Mittwoch, den 24. November, wird beim neuesten Runden Tisch von Driving into the Future darüber diskutiert, wie die Zukunft der kanadischen Batterieproduktion aussehen könnte. Ob Sie ein Optimist sind – Sie glauben wirklich, dass bis 2035 alle Autos elektrisch sein werden – oder ob Sie glauben, dass wir dieses ehrgeizige Ziel nicht erreichen werden, batteriebetriebene Autos sind ein wichtiger Teil unserer Zukunft. Wenn Kanada Teil dieser elektrischen Revolution sein will, müssen wir einen Weg finden, in Zukunft der führende Hersteller von Automobilantriebssystemen zu werden. Um zu sehen, wie die Zukunft aussieht, schauen Sie sich diesen Mittwoch um 11:00 Uhr Eastern Time den neuesten Rundtisch zur Batterieherstellung für uns in Kanada an.
Vergessen Sie Festkörperbatterien. Das Gleiche gilt für den ganzen Hype um Siliziumanoden. Selbst die vielgepriesene Aluminium-Luft-Batterie, die nicht zu Hause aufgeladen werden kann, kann die Welt der Elektrofahrzeuge nicht erschüttern.
Was ist eine Strukturbatterie? Nun, das ist eine gute Frage. Zum Glück für mich, der nicht so tun möchte, als hätte ich keine technische Fachkenntnis, ist die Antwort einfach. Aktuelle Elektroautos werden durch im Auto verbaute Batterien angetrieben. Oh, wir haben einen neuen Weg gefunden, ihre Qualität zu verbergen, indem wir all diese Lithium-Ionen-Batterien in den Boden des Gehäuses einbauen und so eine „Skateboard“-Plattform schaffen, die heute zum Synonym für EV-Design geworden ist. Aber sie sind immer noch vom Auto getrennt. Ein Add-on, wenn man so will.
Strukturbatterien untergraben dieses Paradigma, indem sie das gesamte Chassis aus Batteriezellen herstellen. In einer scheinbar traumhaften Zukunft wird nicht nur der tragende Boden Batterien enthalten, sondern auch bestimmte Teile der Karosserie – A-Säulen, Dächer und sogar, wie eine Forschungseinrichtung gezeigt hat Luftfilter-Druckraum – nicht nur mit Batterien ausgestattet, sondern tatsächlich aus Batterien bestehen. Mit den Worten des großen Marshall McLuhan ist ein Auto eine Batterie.
Nun, obwohl moderne Lithium-Ionen-Batterien hochtechnologisch aussehen, sind sie schwer. Die Energiedichte von Lithium-Ionen ist weitaus geringer als die von Benzin. Um die gleiche Reichweite wie Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen zu erreichen, sind die Batterien in modernen Elektrofahrzeugen daher sehr groß. Sehr groß.
Noch wichtiger ist, dass sie schwer sind. Wie zum Beispiel „schwer“ bei „breiter Ladung“. Die derzeit verwendete Grundformel zur Berechnung der Energiedichte einer Batterie lautet, dass mit jedem Kilogramm Lithium-Ionen etwa 250 Wattstunden Strom erzeugt werden können. Oder in der Abkürzungswelt, die Ingenieure bevorzugen: 250 Wh/kg.
Rechnen Sie ein wenig nach: Eine 100-kWh-Batterie ist wie ein Tesla, der an eine Model-S-Batterie angeschlossen ist, was bedeutet, dass Sie überall, wo Sie hingehen, etwa 400 kg Batterie mit sich herumschleppen müssen. Dies ist die beste und effizienteste Anwendung. Für uns Laien wäre es vielleicht genauer zu schätzen, dass eine 100-kWh-Batterie etwa 1.000 Pfund wiegt. Etwa eine halbe Tonne.
Stellen Sie sich nun so etwas wie den neuen Hummer SUT vor, der angeblich einen Bordstrom von bis zu 213 kWh haben soll. Selbst wenn der General einige Durchbrüche bei der Effizienz erzielt, wird der Top-Hummer immer noch etwa eine Tonne Batterien mit sich herumschleppen. Ja, man fährt zwar weiter, aber aufgrund all dieser zusätzlichen Vorteile steht die Reichweitensteigerung nicht im gleichen Verhältnis zur Verdoppelung der Batterie. Natürlich muss sein Lkw über einen entsprechend stärkeren – also weniger effizienten – Motor verfügen. Die Leistung leichterer Alternativen mit geringerer Reichweite. Wie Ihnen jeder Automobilingenieur (ob in Bezug auf Geschwindigkeit oder Kraftstoffverbrauch) sagen wird, ist das Gewicht der Feind.
Hier kommt die Strukturbatterie ins Spiel. Durch den Bau von Autos aus Batterien, anstatt sie in bestehende Strukturen einzubauen, verschwindet der größte Teil des zusätzlichen Gewichts. Bis zu einem gewissen Grad – das heißt, wenn alle strukturellen Dinge in Batterien umgewandelt werden – führt die Erhöhung der Reichweite des Autos zu nahezu keinem Gewichtsverlust.
Wie zu erwarten – denn ich weiß, dass Sie da sitzen und denken: „Was für eine tolle Idee!“ – gibt es Hindernisse für diese clevere Lösung. Die erste besteht darin, die Fähigkeit zu beherrschen, Batterien aus Materialien herzustellen, die nicht nur als Anoden und Kathoden für jede Basisbatterie verwendet werden können, sondern auch stark genug – und sehr leicht! -Eine Struktur, die ein Zwei-Tonnen-Auto und seine Passagiere tragen kann und von der man hofft, dass sie sicher ist.
Es überrascht nicht, dass die beiden Hauptkomponenten der bisher leistungsstärksten Strukturbatterie, die von der Chalmers University of Technology hergestellt und vom KTH Royal Institute of Technology, Schwedens beiden berühmtesten Ingenieuruniversitäten, investiert wurde, Kohlefaser und Aluminium sind. Als negative Elektrode wird im Wesentlichen Kohlefaser verwendet; Die positive Elektrode besteht aus mit Lithiumeisenphosphat beschichteter Aluminiumfolie. Da Kohlenstofffasern auch Elektronen leiten, kann auf schweres Silber und Kupfer verzichtet werden. Kathode und Anode werden durch eine Glasfasermatrix getrennt gehalten, die auch einen Elektrolyten enthält und so nicht nur Lithiumionen zwischen den Elektroden transportiert, sondern auch die strukturelle Belastung zwischen beiden verteilt. Die Nennspannung jeder dieser Batteriezellen beträgt 2,8 Volt und kann wie alle aktuellen Elektrofahrzeugbatterien kombiniert werden, um die für alltägliche Elektrofahrzeuge üblichen 400 V oder sogar 800 V zu erzeugen.
Obwohl dies ein deutlicher Sprung ist, sind selbst diese High-Tech-Zellen noch lange nicht bereit für die Hauptsendezeit. Ihre Energiedichte beträgt nur vernachlässigbare 25 Wattstunden pro Kilogramm und ihre Struktursteifigkeit beträgt 25 Gigapascal (GPa), was nur wenig stärker ist als die der Rahmenglasfaser. Dank der Finanzierung durch die schwedische Nationale Raumfahrtbehörde verwendet die neueste Version nun jedoch mehr Kohlefaser- statt Aluminiumfolien-Elektroden, von denen Forscher behaupten, dass sie Steifigkeit und Energiedichte aufweisen. Tatsächlich wird erwartet, dass diese neuesten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Batterien bis zu 75 Wattstunden Strom pro Kilogramm und einen Young-Modul von 75 GPa produzieren. Diese Energiedichte mag immer noch hinter der herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zurückbleiben, aber ihre strukturelle Steifigkeit ist jetzt besser als die von Aluminium. Mit anderen Worten: Die aus diesen Batterien hergestellte Diagonalbatterie für das Fahrgestell eines Elektrofahrzeugs kann strukturell genauso stark sein wie die Batterie aus Aluminium, aber das Gewicht wird erheblich reduziert.
Der erste Einsatzbereich dieser Hightech-Batterien ist mit ziemlicher Sicherheit die Unterhaltungselektronik. Chalmers-Professor Leif Asp sagte: „In ein paar Jahren ist es durchaus möglich, ein Smartphone, einen Laptop oder ein Elektrofahrrad herzustellen, das nur halb so schwer wie heute und kompakter ist.“ Wie der Projektleiter jedoch betonte: „Wir sind hier wirklich nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt.“
Die Batterie ist nicht nur die Basis moderner Elektrofahrzeuge, sondern auch ihr schwächstes Glied. Selbst die optimistischste Prognose kann nur das Doppelte der aktuellen Energiedichte erwarten. Was wäre, wenn wir die unglaubliche Reichweite erreichen wollen, die wir alle versprochen haben – und es scheint, dass jemand jede Woche 1.000 Kilometer pro Ladung verspricht? — Wir müssen es besser machen, als Autos mit Batterien auszustatten: Wir müssen Autos aus Batterien herstellen.
Experten sagen, dass die vorübergehende Reparatur einiger beschädigter Strecken, darunter der Coquihalla-Autobahn, mehrere Monate dauern wird.
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