19.05.2021 - Chalmers University of Technology

Weltweit erstes Konzept für wiederaufladbare Batterien auf Zementbasis

Stellen Sie sich ein ganzes zwanzigstöckiges Betongebäude vor, das Energie wie eine riesige Batterie speichern kann

Dank einer einzigartigen Forschungsarbeit der Chalmers University of Technology in Schweden könnte eine solche Vision eines Tages Realität werden. Forscher des Fachbereichs Architektur und Bauingenieurwesen haben kürzlich einen Artikel veröffentlicht, der ein neues Konzept für wiederaufladbare Batterien skizziert - hergestellt aus Zement.

Der immer größer werdende Bedarf an nachhaltigen Baumaterialien stellt die Forscher vor große Herausforderungen. Dr. Emma Zhang, ehemals Chalmers University of Technology, Schweden, schloss sich vor einigen Jahren der Forschungsgruppe von Professor Luping Tang an, um nach den Baumaterialien der Zukunft zu suchen. Gemeinsam ist es ihnen nun gelungen, als Weltneuheit ein Konzept für eine wiederaufladbare Batterie auf Zementbasis zu entwickeln.

Das Konzept sieht zunächst eine Mischung auf Zementbasis vor, der geringe Mengen kurzer Kohlenstofffasern zugesetzt werden, um die Leitfähigkeit und Biegezähigkeit zu erhöhen. Dann wird in die Mischung ein metallbeschichtetes Kohlenstofffasernetz eingebettet - Eisen für die Anode und Nickel für die Kathode. Nach vielen Experimenten ist dies der Prototyp, den die Forscher nun vorstellen.

"Die Ergebnisse früherer Studien, die die Betonbatterie-Technologie untersuchten, zeigten eine sehr geringe Leistung, also wurde uns klar, dass wir über den Tellerrand hinausschauen mussten, um einen anderen Weg zur Herstellung der Elektrode zu finden. Diese spezielle Idee, die wir entwickelt haben - die auch wiederaufladbar ist - wurde noch nie zuvor erforscht. Jetzt haben wir den Nachweis des Konzepts im Labormaßstab erbracht", erklärt Emma Zhang.

Die Forschung von Luping Tang und Emma Zhang hat eine wiederaufladbare Batterie auf Zementbasis mit einer durchschnittlichen Energiedichte von 7 Wattstunden pro Quadratmeter (oder 0,8 Wattstunden pro Liter) hervorgebracht. Die Energiedichte wird verwendet, um die Kapazität der Batterie auszudrücken, und eine bescheidene Schätzung besagt, dass die Leistung der neuen Chalmers-Batterie mehr als zehnmal so hoch sein könnte wie bei früheren Versuchen mit Betonbatterien. Die Energiedichte ist im Vergleich zu kommerziellen Batterien immer noch gering, aber diese Einschränkung könnte dank des großen Volumens, in dem die Batterie bei der Verwendung in Gebäuden gebaut werden könnte, überwunden werden.

Ein potenzieller Schlüssel zur Lösung von Energiespeicherproblemen

Die Tatsache, dass die Batterie wiederaufladbar ist, ist ihre wichtigste Eigenschaft, und die Nutzungsmöglichkeiten, wenn das Konzept weiterentwickelt und kommerzialisiert wird, sind nahezu atemberaubend. Die Energiespeicherung ist eine offensichtliche Möglichkeit, die Überwachung eine andere. Die Forscher sehen Anwendungen, die von der Stromversorgung von LEDs über die Bereitstellung von 4G-Verbindungen in abgelegenen Gebieten bis hin zum kathodischen Schutz gegen Korrosion in Betoninfrastruktur reichen könnten.

"Es könnte auch mit Solarzellenpaneelen gekoppelt werden, um beispielsweise Strom zu liefern und die Energiequelle für Überwachungssysteme in Autobahnen oder Brücken zu werden, wo Sensoren, die von einer Betonbatterie betrieben werden, Risse oder Korrosion erkennen könnten", schlägt Emma Zhang vor.

Das Konzept, Strukturen und Gebäude auf diese Weise zu nutzen, könnte revolutionär sein, denn es würde eine alternative Lösung für die Energiekrise bieten, indem es ein großes Volumen an Energiespeichern bereitstellt.

Beton, der durch das Mischen von Zement mit anderen Zutaten entsteht, ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial. Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit ist er alles andere als ideal, aber das Potenzial, ihm Funktionalität hinzuzufügen, könnte eine neue Dimension eröffnen. Emma Zhang kommentiert: "Wir haben die Vision, dass diese Technologie in Zukunft ganze Abschnitte von mehrstöckigen Gebäuden aus funktionalem Beton ermöglichen könnte. Wenn man bedenkt, dass in jede beliebige Betonoberfläche eine Schicht dieser Elektrode eingebettet werden könnte, sprechen wir über enorme Mengen an Funktionsbeton".

Herausforderungen bleiben bei Lebensdaueraspekten

Die Idee befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium. Zu den technischen Fragen, die noch gelöst werden müssen, bevor die Technik kommerziell genutzt werden kann, gehören die Verlängerung der Lebensdauer der Batterie und die Entwicklung von Recyclingtechniken. "Da Betoninfrastrukturen in der Regel für eine Lebensdauer von fünfzig oder gar hundert Jahren gebaut werden, müssten die Batterien so weiterentwickelt werden, dass sie sich nach Ablauf der Lebensdauer leichter austauschen und recyceln lassen. Das ist im Moment noch eine große Herausforderung aus technischer Sicht", sagt Emma Zhang.

Doch die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Innovation viel zu bieten hat. "Wir sind davon überzeugt, dass dieses Konzept einen großen Beitrag dazu leistet, dass zukünftige Baumaterialien zusätzliche Funktionen haben können, wie zum Beispiel als erneuerbare Energiequellen", schließt Luping Tang.

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