Kohlefaser wird zur Batterie: Zinkschicht macht Bauteile zu Energiespeichern

Elektroautos, Drohnen und Flugzeuge tragen ihre Energie in separaten Batteriepaketen mit sich, während Kohlefaserverbunde daneben die mechanischen Lasten aufnehmen. Strukturbatterien wollen diese Trennung aufheben: Ein einziges Material speichert Strom und hält zugleich das Bauteil zusammen. Gelingt das ohne große Einbußen, sparen Hersteller auf Systemebene Masse und Bauraum, und beides zählt bei Fahrzeugen und Fluggeräten besonders, weil jedes Kilogramm Reichweite kostet. Ein Team der Deakin University in Australien hat nun einen Kohlefaserverbund auf Zinkbasis vorgestellt, der Lastaufnahme, Energiespeicherung und Abschirmung elektromagnetischer Störungen in einem Material vereint. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Composites Part B: Engineering.

Kohlefasern übernehmen die Rolle der Elektroden

Bisherige Strukturbatterien beruhen überwiegend auf Lithiumchemien. In tragenden Verbundwerkstoffen stellen sie hohe Anforderungen an Sicherheit, Fertigung und Materialverträglichkeit. Die Forscher:innen setzen stattdessen auf Zink und Manganoxid. In einem zweistufigen elektrochemischen Verfahren lagerten sie beide Stoffe als nanoskalige Schichten auf den Kohlefasern ab. Kohlefasern gelten in Verbunden bisher vor allem als tragendes Gerüst. Hier dienen sie nicht als passiver Träger. Sie speichern und übertragen Ladung und tragen weiter zur Festigkeit des Verbunds bei.

Ein fester Elektrolyt aus lichthärtendem Harz

Zwischen den Elektroden sitzt ein maßgeschneiderter fester Polymer-Elektrolyt, der Zink-Ionen transportiert. Er enthält ein Zinksalz in Propylencarbonat und ein photohärtbares Harz, das sich in die Verbundfertigung einfügen lässt. Bei 25 Grad Celsius erreichte er eine Ionenleitfähigkeit von 4,31 × 10⁻⁴ Siemens pro Zentimeter und ein elektrochemisches Stabilitätsfenster von 3,75 Volt. Das Team fertigte die Verbunde unter normalen Laborbedingungen mit etablierten Verfahren der Verbundfertigung, ohne Spezialumgebung. Bei einer Entladerate von C/4 lieferte das System eine stabile spezifische Entladekapazität von 13,5 Milliamperestunden pro Gramm. Die Arbeit belegt damit eine funktionierende Zink-Speicherchemie direkt im Kohlefaserbauteil. Eine industrielle Fertigung oder einen praxistauglichen Energiespeicher belegt sie nicht.

Die Oberflächenchemie stärkt auch die Mechanik

Die Beschichtung verbessert die Anbindung zwischen Faser und Matrix. Die interlaminare Scherfestigkeit, also der Widerstand gegen das Gleiten zwischen Verbundschichten, erreichte bis zu 0,63 Megapascal. Das liegt rund 59 Prozent über einem Verbund mit unbehandelten Fasern. Auch die Zähigkeit stieg bei den besten Varianten. Als dritte Funktion prüfte das Team die Abschirmung elektromagnetischer Störungen, die für Elektronik in Fahrzeugen und Fluggeräten zählt. Funktionalisierte Fasern schirmten besser ab als unbehandelte. Zwei besonders wirksame Varianten erreichten −43 und −62 Dezibel.

Der Preis der Mehrfachfunktion

Für die Vielseitigkeit zahlt der Verbund einen hohen Preis. Auf Zellebene speichert er rund 5 Wattstunden pro Kilogramm, während die Studie für eine Referenz-Zink-Manganoxid-Batterie etwa 50 ansetzt. Beim Elastizitätsmodul stehen rund 2 Gigapascal gegen etwa 30 Gigapascal bei einem automobilen Kohlefaserverbund. Als Ersatz für eine Hochleistungsbatterie oder ein belastbares Kohlefaserbauteil taugt das Material damit noch nicht. Seinen Nutzen zeigt es erst, wenn Ingenieur:innen Struktur, Batterie und Einbauraum gemeinsam bewerten. Offen bleiben Langzeitzyklen, Ermüdung, Schädigungstoleranz und das Verhalten unter wiederholter mechanischer Belastung. Grenzflächenchemie, Elektrolyt und Verbundarchitektur brauchen ebenfalls weitere Entwicklung.

via Deakins University