Graphen-Batterien – Technologie und Leistung, Forschung, Entwicklung und Markteinführung.

Grundlagen der Batterie

Arten, Formen und Größen.

Batterien gibt es in verschiedenen Formen und Größen für unzählige unterschiedliche Zwecke. Die verschiedenen Arten von Batterien weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Batterien dienen als mobile Stromquelle und ermöglichen den Betrieb von elektrisch betriebenen Geräten, ohne dass diese direkt an eine Steckdose angeschlossen sind. Es gibt zwar viele Arten von Batterien, aber das Grundkonzept, nach dem sie funktionieren, ist immer ähnlich: Eine oder mehrere elektrochemische Zellen wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Eine Batterie besteht in der Regel aus einem Metall- oder Kunststoffgehäuse, das einen Pluspol (eine Anode), einen Minuspol (eine Kathode) und Elektrolyte enthält, zwischen denen sich Ionen bewegen können. Ein Separator (eine durchlässige Polymermembran) bildet eine Barriere zwischen Anode und Kathode, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern und gleichzeitig den Transport von ionischen Ladungsträgern zu ermöglichen, die für das Schließen des Stromkreises während des Stromdurchgangs benötigt werden. Schließlich wird ein Kollektor verwendet, um die Ladung außerhalb der Batterie durch das angeschlossene Gerät zu leiten.

Wenn der Stromkreis zwischen den beiden Polen geschlossen ist, erzeugt die Batterie durch eine Reihe von Reaktionen Strom. An der Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der sich zwei oder mehr Ionen aus dem Elektrolyten mit der Anode zu einer Verbindung verbinden und dabei Elektronen freisetzen. Gleichzeitig läuft an der Kathode eine Reduktionsreaktion ab, bei der sich die Kathodensubstanz, Ionen und freie Elektronen zu Verbindungen zusammenschließen. Einfach ausgedrückt: Die Anodenreaktion erzeugt Elektronen, während die Reaktion in der Kathode sie absorbiert, und durch diesen Prozess wird Strom erzeugt. Die Batterie produziert so lange Strom, bis die Elektroden nicht mehr über die nötige Substanz für die Erzeugung von Reaktionen verfügen.

Batterietypen und Eigenschaften.

Batterien werden in zwei Haupttypen unterteilt: Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien (Einwegbatterien) werden einmal verwendet und sind danach unbrauchbar, da sich die Elektrodenmaterialien während des Ladevorgangs irreversibel verändern. Gängige Beispiele sind die Zink-Kohle-Batterie sowie die Alkalibatterie, die in Spielzeug, Taschenlampen und einer Vielzahl von tragbaren Geräten verwendet werden. Sekundärbatterien (wiederaufladbar) können mehrfach entladen und wieder aufgeladen werden, da die ursprüngliche Zusammensetzung der Elektroden wieder funktionsfähig wird. Beispiele hierfür sind Blei-Säure-Batterien, die in Fahrzeugen verwendet werden, und Lithium-Ionen-Batterien, die in tragbaren elektronischen Geräten zum Einsatz kommen.

Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd).

Nickel-Cadmium-Batterien haben eine relativ geringe Energiedichte und werden dort eingesetzt, wo eine lange Lebensdauer, eine hohe Entladungsrate und ein günstiger Preis wichtig sind. Sie sind unter anderem in Videokameras und Elektrowerkzeugen zu finden. NiCd-Batterien enthalten giftige Metalle und sind nicht umweltfreundlich. Nickel-Metallhydrid-Batterien haben eine höhere Energiedichte als NiCd-Batterien, aber auch eine kürzere Lebensdauer. Sie werden unter anderem in Mobiltelefonen und Laptops eingesetzt. Blei-Säure-Batterien sind schwer und spielen eine wichtige Rolle bei großen Stromanwendungen, bei denen das Gewicht nicht ausschlaggebend ist, sondern der wirtschaftliche Preis. Sie werden vor allem in Krankenhausausrüstungen und Notbeleuchtungen eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion).

Lithium-Ionen-Batterien werden dort eingesetzt, wo hohe Energie und geringes Gewicht wichtig sind, aber die Technologie ist empfindlich und eine Schutzschaltung ist erforderlich, um die Sicherheit zu gewährleisten. Zu den Anwendungen gehören Mobiltelefone und verschiedene Arten von Computern.

Lithium-Ionen-Polymer-Batterien (Li-Ion-Polymer).

Lithium-Ionen-Polymer-Batterien sind vor allem in Mobiltelefonen zu finden. Sie sind leicht und haben eine schlankere Form als Li-Ionen-Batterien. Außerdem sind sie in der Regel sicherer und haben eine längere Lebensdauer. Allerdings scheinen sie weniger verbreitet zu sein, da Li-Ionen-Batterien billiger in der Herstellung sind und eine höhere Energiedichte aufweisen.

Batterien auf Lithiumbasis gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte als einer der vielversprechendsten Ersatzstoffe für Anwendungen in der Energiespeicherung. Diese Batterien treiben unsere Computer, Smartphones und sogar unsere Autos an. Ein Problem, das Lithium-Ionen-Batterien nach wie vor haben, ist die Sicherheit. Die in einer Lithium-Ionen-Batterie enthaltene Flüssigkeit ist leicht entflammbar. Jede Beschädigung der äußeren Schichten der Batterie kann zu einem Kurzschluss führen, der Feuer und Explosionen verursacht. So verursachte beispielsweise im Jahr 2016 ein plötzliches Bersten von Smartphones bei mehreren Nutzern weltweit Verbrennungen ersten Grades. In den letzten Jahren haben Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, ein umfangreiches Kühlsystem erhalten. Dieses Kühlsystem nimmt jedoch viel Platz in Anspruch, der für die Energiespeicherung genutzt werden könnte.

Ein weiteres Problem bei Lithium-Ionen-Batterien ist die Recycelbarkeit. Die meisten Teile von Lithium-Ionen-Batterien sind nicht biokompatibel, was die Wiederverwertung sehr teuer macht. Und schließlich leidet die Batterie unter ihrer geringen Leistungsdichte. Nehmen wir das Beispiel eines Smartphones: Aufgrund seiner hohen Energiedichte reicht der Akku fast den ganzen Tag; um das Gerät aufzuladen, muss es eine Stunde oder länger an eine andere Stromquelle angeschlossen werden.

Lithium-Eisen-Phosphat (LFP).

Ein weiteres Beispiel sind LFP-Batterien (Lithium-Eisen-Phosphat), eine Art wiederaufladbare Li-Ionen-Batterie. Sie haben eine geringere Energiedichte als andere Li-Ionen-Batterien, aber eine höhere Leistungsdichte (ein Indikator für die Geschwindigkeit, mit der die Batterie Energie liefern kann). Durch die Verbesserung der LFP-Kathoden mit Graphen konnten die Batterien leicht sein, sich viel schneller aufladen als Li-Ionen-Batterien und eine höhere Kapazität als herkömmliche LFP-Batterien haben.

Was sind Graphen?

Graphen, eine Schicht aus Kohlenstoffatomen.

Graphen ist eine ein Atom dicke Schicht aus Kohlenstoffatomen mit einer relativen Oberfläche von 2.630 m2/g, die Ladungen hervorragend speichern kann, ohne dass sie sich bei langfristiger Nutzung abbaut. Die zweidimensionale Schicht bildet ein wabenförmiges, hexagonales Gittermuster aus Atomen, die miteinander verbunden sind. Die Bindungen in Graphen verleihen Graphen eine mehr als viermal so hohe Zugfestigkeit wie Stahl, während es gleichzeitig sehr transparent, flexibel und ein hervorragender Leiter für Elektrizität und Wärme ist. Diese Eigenschaften machen Graphen nicht nur zu einem geeigneten Kandidaten für Batterien, sondern auch für Superkondensatoren.

Eine Monolage Graphen, die so groß ist, dass sie ein ganzes Fußballfeld bedeckt, würde beispielsweise weniger als 3 Gramm wiegen (die Oberfläche von Graphen beträgt wie gesagt 2630 Quadratmeter pro Gramm). Diese riesige Oberfläche, die mit dieser kleinen Menge Graphen verbunden ist, kann in eine AA-Batterie gequetscht werden, was Batteriedesigns mit der Fähigkeit, riesige Mengen an Ladung zu speichern, ermöglicht.

Graphen haben ein einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften, die ihm mehrere Vorteile verleihen. Dazu gehören eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, eine grosse Oberfläche und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Graphen leitet Elektrizität sogar 100-mal effektiver als Kupfer. Außerdem leitet es Elektronen bis zu 140-mal schneller als Silizium. Das macht das Graphenmaterial so wichtig für die Entdeckung, wie man Batterien schneller aufladen kann.

Eine Graphen-Batterie lässt sich schneller aufladen, hat eine hohe Speicherkapazität, eine hohe Haltbarkeit und ein geringeres Gewicht. Dadurch kann sie die Lebensdauer der Batterie verlängern und Batterieeigenschaften wie Energiedichte und Form auf verschiedene Weise verbessern.

Hersteller und Wissenschaftler halten Graphen für ein vielversprechendes Material für ein breites Spektrum von Anwendungen. Sowohl in der Forschung als auch bei der heutigen Verwendung könnte es eine sehr wichtige Rolle in der Elektronik, der Energiespeicherung und bei Verbundwerkstoffen spielen. Angesichts der einzigartigen Eigenschaften von Graphen hat es das Potenzial, die Energiespeicherung und die Leistungsdichte in den besten Elektrowerkzeugen zu revolutionieren. Obwohl Graphen auf verschiedene Weise hergestellt werden kann, ist die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PE-CVD) die am besten geeignete Technik zur Herstellung von Graphen. Zu den wichtigsten Vorteilen des PE-CVD-Verfahrens gehören niedrigere Substrattemperaturen sowie übertragungs- und katalysatorfreies Wachstum. Bei der PE-CVD wird ein spezielles Gasgemisch, einschließlich Kohlenstoff, in einem Plasma erhitzt, das eine Graphenschicht auf einer Kupfer- oder Nickelplatte erzeugt. Anschließend wird das Graphen von der Platte abgetrennt.

Graphen-Batterietechnologien und -typen.

Auf der Grundlage von Graphen kann eine Reihe von Batterietechnologien und -typen entwickelt werden. Zu den vielversprechendsten gehören Lithium-Metall-Festkörperbatterien, Festkörperbatterien, Superkondensatoren, mit Graphen verstärkte Bleisäurebatterien, Graphen-Natrium-Ionen-Batterien, Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien und Graphen-Lithium-Ionen-Batterien. 

Forschung und Entwicklung

Wer hat Graphen-Batterien erfunden?

Die Erfindung von Graphen wird einem Forscherteam der Universität Manchester im Vereinigten Königreich zugeschrieben. Das Team unter der Leitung des Nobelpreisträgers Sir Andre Geim und des russisch-britischen Physikers Konstantin Novoselov entdeckte im Jahr 2004 einige interessante Eigenschaften von Graphen. Bei einem der wöchentlichen "Freitagabend-Experimente" von Andre und Kostya verwendeten die beiden Wissenschaftler Klebeband, um einige Flocken aus einem Klumpen Graphit zu entfernen. Als sie bemerkten, dass einige Flocken dünner waren als andere, experimentierten sie weiter. Durch wiederholtes Trennen der Graphitfragmente gelang es ihnen schließlich, Flocken mit einer Dicke von nur einem Atom herzustellen. Dieses Experiment führte zur ersten Isolierung von Graphen.

Die Entwicklung von Graphenbatterien begann mit der Entdeckung, wie Graphen in einatomiger Form gewonnen werden kann. Das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat gezeigt, dass kleine Mengen Graphen - eine ultradünne Schicht aus Kohlenstoffatomen - die Leistung und die Zyklenstabilität von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessern können. Und dies bei gleichbleibend hoher Energiespeicherkapazität.

Samsung Graphen-Kugel.

2017 kündigte das Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) seinen "Graphen-Ball" an. Dieses einzigartige Batteriematerial wies eine um 45 % höhere Speicherkapazität und eine bis zu fünffache Ladegeschwindigkeit im Vergleich zu einer Standard-Lithium-Ionen-Batterie auf. Die neue Technologie verspricht enorme Vorteile für mobile Geräte sowie für Elektrofahrzeuge. Der Markt für Elektrofahrzeuge ist sehr interessant, wenn man weiß, dass die Graphenkugel eine stabile Temperatur von 60 Grad Celsius halten kann. Samsung leistete Pionierarbeit bei der Synthese von Graphen in einer 3D-Form und der anschließenden Anwendung in Batterien. Dies geschah unter Verwendung von kostengünstigem Siliziumdioxid (SiO2). Diese "Graphenkugel" wurde sowohl auf die Anodenschutzschicht als auch auf die Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien aufgebracht.

Batterien für den Weltraum.

Die erste Entwicklung fand Anfang des Jahres statt, als der kalifornische Batteriehersteller Lyten bekannt gab, dass er mit der US-Regierung zusammenarbeitet, um Graphenbatterien für die US-Raumfahrtbehörde zu entwickeln. Es wurden bereits Prototypen für den Einsatz in Kleinsatelliten entwickelt, aber auch der Markt für Elektrofahrzeuge wurde bereits ins Visier genommen, so dass sich hier noch mehr ergeben könnte.

Lytens Li-S-Batterien der nächsten Generation für Elektrofahrzeuge.

Abgesehen von der neuartigen Anwendung ist das Interessante an diesen Batterien, dass es sich um Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) handelt. Li-S-Batterien werden seit langem wegen ihrer hohen Energiedichte für den kommerziellen Einsatz angepriesen, aber die Schwefelelektroden litten oft unter dem so genannten "Polysulfid-Shuttling" - einem Prozess, bei dem die Schwefelionen die Elektrode verlassen, reagieren und langkettige Moleküle bilden, wodurch die Elektrode und die Batterieleistung beeinträchtigt werden.

Polysulfid-Shuttling war lange Zeit ein Hindernis für die groß angelegte Kommerzialisierung von Li-S-Batterien, aber Lyten hat Graphenschichten (in einer 3D-Morphologie) verwendet, um die Oberflächenreaktionen in den Elektroden zu unterdrücken. Dadurch werden die Reaktionen in Richtung der Li2S-Moleküle (anstelle der langkettigen Li2S8- und Li2S6-Moleküle) gelenkt, die von der Kathode entladen werden, was zu einem längeren und normaleren Batteriebetrieb führt - denn Li2S-Moleküle sind das, was während der Zyklen von der Kathode freigesetzt werden sollte. Dies ist eine interessante Entwicklung, die dazu beitragen könnte, dass Graphen-basierte Batterien sowie Li-S-Batterien auf hochwertigen Endverbrauchermärkten verstärkt eingesetzt werden.

Batterien aus Netzspeicher.

Die jüngste Entwicklung im Bereich der Graphen-Batterien stammt von einem neuen Start-up-Unternehmen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) namens PolyJoule. Diese Batterien basieren auf einer elektrochemischen Standardzelle mit zwei Elektroden und verwenden eine Kombination aus leitfähigen Polymeren und hybriden Kohlenstoff-Graphen-Materialien.

Diese Batterien werden für den Einsatz in Stromnetzen angepriesen - vor allem bei intermittierenden erneuerbaren Energiequellen -, da sie eine schnelle Entladung (bis zu 1 MW) in weniger als 10 Sekunden zum Schutz vor Spannungsschwankungen ermöglichen. Sie können auch in weniger als fünf Minuten wieder aufgeladen werden, um sicherzustellen, dass der Strom bei Bedarf zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu anderen Batterien entwickeln die Batterien keine Wärme, so dass kein Wärmemanagement erforderlich ist, und sie sind von Natur aus robust.

Die Technologie ist noch sehr neu, und es liegen erst wenige Informationen vor. Neben dem Einsatz in Stromnetzen werden sie auch für die allgemeine industrielle Energiespeicherung und die unterbrechungsfreie Stromversorgung von Rechenzentren angepriesen. Sie wurden sicherlich mit Blick auf den industriellen Markt entwickelt, der ein neuer Markt ist, der für Batterien auf Graphenbasis erschlossen werden soll. Es wird interessant sein zu sehen, ob sich dieser Marktsektor durchsetzt und diese Batterien in größerem Maßstab gebaut werden können, um den Bedarf des Stromnetzes und anderer Industriesektoren zu decken.

Hybridmaterialien.

Die Entwicklung von Hybridmaterialien kann ebenfalls zur Verbesserung von Batterien beitragen. Ein Hybrid aus Vanadiumoxid (VO2) und Graphen kann beispielsweise für Li-Ionen-Kathoden verwendet werden und ermöglicht ein schnelles Laden und Entladen sowie eine lange Lebensdauer der Ladezyklen. In diesem Fall bietet VO2 eine hohe Energiekapazität, aber eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, was durch die Verwendung von Graphen als eine Art strukturelles Grundgerüst, auf dem VO2 befestigt wird, gelöst werden kann - so entsteht ein Hybridmaterial, das sowohl eine erhöhte Kapazität als auch eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweist.

Die Forscher sind sehr zuversichtlich, was die Fähigkeiten von Graphen zur Verbesserung der Leitfähigkeit angeht. Sie behaupten sogar, dass Graphen-basierte Handy-Akkus, die derzeit zwischen einer und fünf Stunden zum vollständigen Aufladen benötigen, in weniger als 10 Minuten wieder aufgeladen werden könnten.

Graphen-unterstützte Hochtemperatur-Li-Ionen-Batterien.

2016 verkündete das chinesische Unternehmen Huawei einen wichtigen Durchbruch in seiner Forschung zu Lithium-Ionen-Batterien. Auf dem 57. Batteriesymposium in Japan wurde die weltweit erste langlebige Graphen-unterstützte Li-Ionen-Batterie vorgestellt, die hohen Temperaturen standhält. Sie behaupteten damals, dass die Temperatur im Vergleich zu den bereits auf dem Markt befindlichen Batterien um 5 Grad Celsius gesenkt werden konnte.

In der Praxis wurden die Umweltvorteile um bis zu 10 Grad Celsius verbessert. Zu den Anwendungsgebieten gehören Gebiete mit heißem Klima und häufigen Stromausfällen wie zum Beispiel Afrika. Auch Anwendungen für Elektrofahrzeuge sind weiterhin möglich.

Ab 2023 wird diese Technologie in der Graphene Film Cooling Technology des Unternehmens eingesetzt, um die Wärme von der Batterie in Handys abzuleiten. Auf diese Weise setzt Huawei weiterhin vor allem auf die schnelle Wärmeleitfähigkeit von Graphen, anstatt es in seinen eigentlichen Batterien zu verwenden. Aufgrund der derzeitigen Blockade von Chips für das Unternehmen plant Huawei außerdem, Graphen in seinen Halbleitern und Transistoren einzusetzen, um neue Chiptechnologien zu entwickeln, die mit der traditionellen Siliziumtechnologie konkurrieren können. Die Verwendung von Graphen (über Kohlenstoff-Nanoröhren-Chips) könnte auch die Kommunikation beschleunigen und die Kosten senken.

Vorteile von Graphen

Vorteile von Graphenbatterien.

Im Bereich der Batterien werden herkömmliche und künftige Batterieelektrodenmaterialien durch die Verwendung von Graphen erheblich verbessert. Eine Graphen-Batterie kann leicht, langlebig und für die Speicherung von Energie mit hoher Kapazität geeignet sein sowie die Ladezeiten verkürzen. Sie verlängert die Lebensdauer der Batterie, die negativ von der Menge an Kohlenstoff abhängt, die auf das Material aufgetragen oder den Elektroden hinzugefügt wird, um Leitfähigkeit zu erreichen.

Graphen kann Batterieeigenschaften wie Energiedichte und Form auf verschiedene Weise verbessern. Lithium-Ionen-Batterien und andere Arten von wiederaufladbaren Batterien können verbessert werden, indem Graphen in die Anode der Batterie eingebracht wird und die Leitfähigkeit und die große Oberfläche des Materials genutzt werden, um die Morphologie und die Leistung zu optimieren.

Einfach gesagt: Graphenbatterien bieten mehr Speicherplatz, sind schneller aufgeladen und haben kühlere, stabile Betriebstemperaturen.

Sind Graphen-Batterien besser als Lithium-Ionen-Batterien?

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien weisen zwar eine immer höhere Leistungsdichte auf, doch bei der Verkürzung der Ladezeit haben sie keine großen Sprünge gemacht. Graphenbatterien haben zwei große Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Sie können größere Energiemengen in der gleichen Größe speichern, und sie lassen sich dank der höheren elektrischen Leitfähigkeit viel schneller wieder aufladen. Die Verwendung von Batterien auf Graphenbasis ist eine völlig neue Richtung. Sie ermöglichen eine schnellere Aufladung der Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem Lithium-Ionen mit Hilfe eines flüssigen Elektrolyten zwischen einer Kathode und einer Anode übertragen werden. Dies erfordert eine gewisse Zeit, insbesondere während der Aufladephase.

Durch eine Verbesserung der Kathoden, indem sie mit Graphen beschichtet werden, können jedoch mehr Ionen übertragen werden. Dadurch erhöht sich auch die Geschwindigkeit des Transfers. Darüber hinaus planen die Forscher, die Nanotechnologie auf eine andere Weise zu nutzen. Die nanotechnologischen Eigenschaften von Graphen helfen bei der Herstellung wiederverwendbarer Anoden auf Siliziumbasis. Diese erhöhen die gesamte Speicherkapazität einer Batterie.

Graphen kann Batteriebrände verhindern.

Lithiumbatterien ermöglichen es Elektrofahrzeugen, mit einer einzigen Ladung mehrere hundert Kilometer zurückzulegen. Ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, ist bekannt, aber auch ihre Neigung, gelegentlich Feuer zu fangen - ein Vorgang, der in der Batterieforschung als "Thermal Runaway" bekannt ist. Zu den Gründen, warum Lithiumbatterien Feuer fangen, gehören schnelle Lade- und Entladezyklen und hohe Temperaturen in der Batterie. Diese Bedingungen können dazu führen, dass sich die Kathode im Inneren der Batterie - bei den meisten Lithiumbatterien handelt es sich um ein lithiumhaltiges Oxid, in der Regel Lithiumkobaltoxid - zersetzt und Sauerstoff freisetzt. Wenn sich der Sauerstoff mit anderen entflammbaren Produkten verbindet, die durch die Zersetzung des Elektrolyten bei ausreichend großer Hitze entstehen, kann es zu einer spontanen Verbrennung kommen. Graphen ist das ideale Material, um die Freisetzung von Sauerstoff in den Elektrolyten zu blockieren. Forscher wiesen nach, dass sehr kleine Partikel der Lithium-Kobaltoxid-Kathode einer Lithiumbatterie, die in Graphen eingewickelt sind, das Entweichen von Sauerstoff verhindern.

Graphen Super-Kondensatoren

Mit Graphen betriebene Superkondensatoren - gebogenes Graphen.

Falls Sie mit diesem Begriff nicht vertraut sind: Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauteil, das Energie aus einer Batterie bezieht und speichert. Ein Superkondensator hingegen hat im Vergleich zu einem Standardkondensator eine sehr hohe Kapazität (die Fähigkeit eines Systems, elektrische Ladung zu speichern) und eine niedrige Nennspannung. Sie sind im Wesentlichen eine Art Kreuzung zwischen einer Batterie und einem Kondensator.

Superkondensatoren werden bereits heute eingesetzt, können aber in der Regel zusammen mit herkömmlichen Batterien einen schnellen Energieschub in Anwendungen wie elektrischen Kränen liefern, die bei anstrengenden Aufgaben zusätzliche Energie benötigen. Im Vergleich zur typischen Lithium-Ionen-Batterie, die heute in Elektroautos verwendet wird, könnte ein Superkondensator viel schneller aufgeladen werden, kann aber nur eine geringe Energiemenge speichern.

Dementsprechend werden Superkondensatoren schnell zu einem weiteren Bereich, in dem Graphen seine Fähigkeiten einsetzen kann. Ähnlich wie bei Batterien sind die hohe Oberfläche, Stabilität und Leitfähigkeit von Graphen für Superkondensatoren von Vorteil, wenn Graphen als Kohlenstoffbeschichtung verwendet wird. Infolgedessen könnten Superkondensatoren aus Graphen enorme Mengen an Energie liefern und dabei viel weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Geräte. Auch wenn sie noch nicht so weit verbreitet sind wie herkömmliche Batterien, könnten Superkondensatoren einen erheblichen Nutzungszuwachs erfahren, da sie die bevorzugte Wahl für den Antrieb von Elektroautos werden. Und da sie leicht sind, könnten Superkondensatoren aus Graphen auch das Gewicht von Fahrzeugen verringern.

So wird Graphen nicht nur für die Elektroden von Batterien verwendet, sondern für das aktive Material selbst, das bedeutet, dass Graphen selbst als Energiespeichermedium verwendet werden können. Diese Erkenntnis wurde für die Konstruktion von Superkondensatoren verwendet, dem vielleicht stärksten künftigen Konkurrenten von Li-Ionen-Batterien für Anwendungen, die sehr schnelle Ladezeiten erfordern, wie z. B. bei Elektroautos. Dies ist wohl ihre entscheidende Eigenschaft. Ein Superkondensator kann um Größenordnungen schneller von vollständig entladen auf vollständig geladen umschalten als vergleichbare Li-Ionen-Batterien. In diesem Zusammenhang ist die große Oberfläche von Graphen von Bedeutung, denn die Menge der speicherbaren Ladung hängt von der Oberfläche des Materials ab, aus dem es hergestellt ist.

"Superkondensatoren" können eine enorme Leistung speichern und sich innerhalb weniger Sekunden aufladen. Bereits vor zwei Jahren wurden Graphen-Superkondensatoren demonstriert, die so viel Energie speichern wie Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni:MH). UCLA-Forscher sorgten für Aufsehen, als sie eine Graphenmischung vorstellten, die auf die Oberfläche einer normalen DVD aufgetragen werden kann. Mit einem gewöhnlichen DVD-Brenner werden dann Millionen von Superkondensator-Schaltkreisen in die Graphenschicht eingeschrieben. Die Schicht lässt sich später einfach abziehen und überall dort anbringen, wo eine Batterie mit Superkräften gewünscht wird. Mit dieser Entwicklung könnten wir bald ultradünne, flexible Batterien sehen, die sich in weniger als einer Minute aufladen und in Kleidung, Papier, Autoarmaturenbretter oder einfach überall, wo man sie haben möchte, integriert werden könnten.

Graphen-Superkondensatoren können mengenmässig nicht so viel Energie speichern wie eine Batterie, lassen sich aber innerhalb weniger Minuten wieder vollständig aufladen. Um die geringe Energiedichte von Graphen-Superkondensatoren zu überwinden, haben Wissenschaftler daher begonnen, an der Kopplung von Superkondensatoren und Batterien als hybride Energiespeichersysteme zu arbeiten.

Es gibt zwar bestimmte Arten von Batterien, die eine große Energiemenge speichern können, aber sie sind sehr groß, schwer und geben die Energie nur langsam ab. Kondensatoren hingegen können schnell geladen und entladen werden, speichern aber viel weniger Energie als eine Batterie. Der Einsatz von Graphen in diesem Bereich eröffnet jedoch aufregende neue Möglichkeiten für die Energiespeicherung, mit hohen Lade- und Entladeraten und sogar wirtschaftlicher Erschwinglichkeit. Die durch Graphen verbesserte Leistung verwischt somit die herkömmliche Unterscheidung zwischen Superkondensatoren und Batterien.

Der kombinierte Einsatz von Graphen-Batterien und Graphen-Superkondensatoren wird nicht nur den Batteriemarkt revolutionieren, sondern auch zu erstaunlichen Ergebnissen führen, wie z. B. das bekannte Konzept zur Verbesserung der Reichweite und Effizienz von Elektroautos. Ein Unternehmen, Skeleton, hat bereits mehrere verschiedene graphenbetriebene Superkondensatoren-Produkte auf dem Markt, darunter seine SkelCap-Serie. Diese gebogenen Graphen-Superkondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und einen geringen Innenwiderstand aus.

Danke der höheren Energiedichte passen diese Batterien genau in die Märkte für Elektrofahrzeuge, Schwertransporte und Industrie. In diesen Bereichen spielen sowohl Gewicht als auch Platzbedarf eine wichtige Rolle für die Effizienz von Fahrzeugen. Graphen-Superkondensatoren erzeugen auch weniger Wärme - selbst bei hohen Strombelastungen. Diese Graphen-Superkondensatoren weisen ein gebogenes Design auf, durch das ein größerer Teil der Oberfläche dem elektrischen Strom ausgesetzt ist. Dies verringert den Widerstand und verbessert die Effizienz.

Mit Graphen betriebene Superkondensatoren können eine Lebensdauer von bis zu 15 Jahren oder mehr haben. Diese Lebensdauer von 15 Jahren macht für Elektrofahrzeuge und schwere Geräte wirklich Sinn. Man kann davon ausgehen, dass diese spezielle Technologie zuerst in Nutzfahrzeugen und dann auch in privaten Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen wird.

Forschung

Graphenanoden und stabile Potenziale.

Nach jahrelanger akademischer Entwicklung und Gesprächen über Graphen in Batterien und anderen Energiespeichern (z. B. Superkondensatoren) sind nun mehrere kommerzielle Angebote verfügbar, die auf verschiedene Endverbrauchssektoren abzielen. Es kommen immer mehr Produkte auf den Markt, und dieser Trend hat sich bereits in der ersten Hälfte des Jahres 2022 fortgesetzt. Diese jüngste Enthüllung der Verbrauchersegmentierung während des langsamen Marktwachstums hat es ermöglicht, dass immer mehr Produkte die Industrie und den Einzelhandel erreichen.

Wie kann Graphen Batterien verbessern?

Stellen Sie sich einen Handy-Akku vor, der mehr als eine Woche lang geladen bleibt und in nur 15 Minuten wieder aufgeladen ist. Durch die Verarbeitung von Graphen zu Elektroden (Anoden und Kathoden) können sowohl die Energiekapazität als auch die Ladegeschwindigkeit in wiederaufladbaren Batterien zum Teil drastisch verbessert werden. Die Gründe dafür sind die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Graphen, seine ausgezeichnete mechanische Flexibilität, seine gute chemische Stabilität und seine große Oberfläche.

Forscher haben jedoch berichtet, dass Lithium-Ionen-Batterien mit reinen Graphenanoden keine stabilen Potenziale liefern können, was ihre praktische Anwendung behindert. Um dieses Problem zu umgehen und die Leistung von Graphenelektroden weiter zu verbessern, entwickeln Forscher verschiedene Strategien.

Da Graphen chemisch in verschiedene Formen verarbeitet werden kann, die sich sowohl für die positiven als auch für die negativen Elektroden eignen, ermöglicht dies die Herstellung von reinen Graphen-Batterien mit extrem hoher Energiedichte. Graphenelektroden sind deshalb für alle Arten von Batterien geeignet. Graphen hat sich als nützlich für verschiedene Batterietypen erwiesen, nicht nur für Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch für Redox-Flow-, Metall-Luft-, Lithium-Schwefel- und Lithium-Metall-Batterien.

Forscher haben wiederholt die Verwendung von Graphen-Verbundmaterialien, z. B. Kohlenstoffnanoröhren/Graphen-Sandwiches, für hochleistungsfähige Lithium-Schwefel-Batterien oder zur Verstärkung von Lithium-Metall-Batterien oder in Kombination mit Molybdändisulfid als Hochleistungselektroden für Natrium-Ionen-Batterien gezeigt. Sogar 3D-gedruckte Graphen-Batterien mit Graphen-Tinte wurden bereits demonstriert. Eine weitere aufregende Entwicklung ist die Tatsache, dass Graphen die Herstellung von hochflexiblen Superkondensatoren ermöglichen, die sich schnell aufladen und eine rekordverdächtige Energiemenge für die Nutzung über einen langen Zeitraum speichern.

Allerdings gibt es ein großes Problem: Zwar haben Wissenschaftler auf Graphen basierende Batterien mit Leistungsmerkmalen nachgewiesen, die weit über denen handelsüblicher Batterien liegen, doch ist die Massenproduktion von hochwertigem Graphen aufwändig. Deshalb ist ein weiteres Problem, das die Massenproduktion aktuell noch erschwert, die hohen Kosten. Die geschätzten Kosten für die Herstellung von Graphen schwanken je nach Qualität des Materials zwischen einigen zehn und mehreren tausend Dollar pro Kilogramm, sind aber immer noch nicht wettbewerbsfähig mit den modernsten Materialien. So stellen beispielsweise die sehr niedrigen Kosten von Aktivkohle, die derzeit in Superkondensatoren verwendet wird (10-15 US-Dollar pro Kilogramm), eine schwierige Hürde für den Markteintritt anderer Materialien dar.

Dennoch haben Batterien auf Graphenbasis ein grosses Potenzial, und obwohl sie noch nicht vollständig kommerziell verfügbar sind, wird intensiv daran geforscht und hoffentlich in Zukunft Ergebnisse erzielt. Das volle Potenzial von Energiespeichern aus Graphen muss erst noch ausgeschöpft werden. Es gibt noch viele Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf praktikable Techniken für die kostengünstige Massenproduktion von Graphen mit kontrollierter Mikrostruktur und geringem Restsauerstoffgehalt.

In jüngster Zeit haben Forscher der Rice University, die sich sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Graphenforschung hervortut, vorausgesagt, dass das Hinzufügen einiger Boratome zur Graphenstruktur zu einer ultradünnen, effizienten und flexiblen Anode für Lithium-Ionen-Batterien führen würde. Durch den Zusatz von Bor haften die Lithiumionen der Batterie besser an der Graphenanode, was bei einigen früheren Graphenanoden ein Problem war. Graphenanoden führen im Vergleich zu herkömmlichen Anoden zu einer schnelleren Auf- und Entladung der Batterie. Die Forschung an der Bor-Graphen-Mischung wurde gemeinsam mit Honda durchgeführt, das Graphen in Batterien für Elektroautos einsetzen will. Kia und Hyundai haben ebenfalls Interesse an Graphen für Elektrofahrzeuge gezeigt, was zeigt, dass industrielle Anwendungen von Graphen nicht mehr weit entfernt sind.

Bereits vor einigen Jahren haben Ingenieure der Northwestern University gezeigt, dass Graphen-Anoden die Energie besser halten als Graphit-Anoden und sich 10-mal schneller aufladen lassen. In Lithium-Ionen-Batterien zirkulieren die ladungstragenden Lithium-Ionen von der Lithium-Brennstoffzelle durch die Anode und die Kathode und geben dabei ihre Ladung ab, um die Batterie zu betreiben. Beim Aufladen kehrt sich der Prozess um, so dass frisch geladene Lithium-Ionen entstehen. Die Leistung der Batterie hängt von der Fähigkeit der Anode ab, Lithium-Ionen zu speichern.

Herkömmliche Graphitanoden sind fest, wobei sich die Lithiumionen an der Außenfläche der Anode ansammeln. Es ist möglich, die Anode so zu gestalten, dass sie Wege für das Lithium schafft, aber Graphen bietet eine viel elegantere Lösung. Forscher der Northwestern University und andere nach ihnen haben winzige Löcher in Graphenplatten gestochen. Die Löcher sind 10-20 nm groß und ermöglichen den Durchgang von Lithium-Ionen. In einer Anode, die aus mehreren Graphenblättern besteht, wandern die Lithiumionen durch die Blätter und durchdringen die Anode, was für eine optimale Nutzung der Speicherfläche und eine einfache Entnahme von Strom sorgt. Die daraus resultierende Batterie kann 10-mal mehr Strom speichern als solche, die Graphitanoden verwenden.

Die Forscher der Rice University haben gezeigt, dass Graphen zusammen mit Vanadiumoxid in einem industriell skalierbaren Prozess zu kostengünstigen Kathoden mit hervorragender Leistung führt. Die mit solchen Kathoden hergestellten Batterien lassen sich in 20 Sekunden aufladen und behalten auch nach 1000 Nutzungszyklen noch mehr als 90 % ihrer Kapazität. Bei dem Verfahren wird Vanadiumpentoxid, ein kostengünstiges Material, zusammen mit Graphenoxid-Nanoblättern in Wasser gekocht. Die für die Kathode erforderlichen Nanostrukturen bilden sich spontan während des Kochvorgangs, wodurch Skalierbarkeit und Massenproduktion in greifbare Nähe rücken. Graphenoxid ist eines der herausragenden Produkte von Graphenea, das in großen Mengen und zu niedrigen Kosten verfügbar ist.

Schweden will sich im Graphen-Markt positionieren. Das nationale Innovationsprogramm SIO Grafen organisiert in Zusammenarbeit mit der Universität Uppsala und Battery 2030+ diverse Veranstaltunen, um den Stand der Graphenbatterieforschung und -innovation bekannt zu machen und zukünftige Möglichkeiten der Zusammenarbeit zu diskutieren. Das Istituto Italiano di Tecnologia und hat die Leitung des europäischen Graphen-Flaggschiffs, ebenfalls ein Telnehmer der Veranstaltungen. Gemäss dem europäischen Graphen-Flaggschiffs ist der vielversprechendste Aspekt im Hinblick auf die industrielle Anwendung von Grahen die Fähigkeit, Verbundwerkstoffe mit Silikon und Graphen herzustellen. Sie könnten die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien über das hinaus steigern, was heute mit anderen Kohlenstoffzusätzen erreicht wird. Das Material Graphen hat sich aber als wirklich schwierig zu handhaben erwiesen, was bedeutet, dass es für einen Wissenschaftler fantastisch ist.

Der entscheidende Aspekt ist, den Preis von Graphen und die Umweltauswirkungen des Produktionsprozesses zu senken. Die niedrigen Kosten sind ansonsten ein gutes Argument für viele der nächsten Generation von Batteriematerialien. Aber wenn der Preis der Zelle durch teure Zusatzstoffe steigt, ist nicht viel gewonnen. Zudem muss die Reproduzierbarkeit von Graphen größer und das Material besser definiert sein. Derzeit gibt es einen großen Unterschied zwischen Graphen und Graphen, was die Bestimmung der Batterieleistung problematisch macht. Dennoch geht ein Großteil der Graphen-Entwicklung in die richtige Richtung, was bedeutet, dass wir in Zukunft mehr und bessere Anwendungen in verschiedenen Batterietypen erwarten können.

China ist ein führender Standort für die Forschung und aber vor allem für die Produktion von Graphen. Ein Schlüsselmarkt für Graphen ist die Verwendung als Wärmespreicher in Smartphones. Dieser Bereich wird von chinesischen Herstellern angeführt, welche lokal an Hersteller von Geräten der Unterhaltungselektronikindustrie liefern. China ist ebenso ein wichtiger Standort für die Forschung und Produktion von Batterien. Nebst China werden aber auch amerikanische und europäische Unternehmen immer wichtiger.

Selbstaufladende Graphenoxid-Batterien von Strategic Elements.

Strategic Elements arbeitet an einer neuen Batterietechnologie, die flüssige Tinte auf der Grundlage von Graphenoxid verwendet. Bei dem Verfahren wird die Graphenoxidtinte auf Glas aufgetragen. Sie soll in der Lage sein, Energie aus der Luft- oder Hautfeuchtigkeit zu gewinnen und sich selbst aufzuladen - und das in nur wenigen Minuten. Strategic Elements arbeitet mit der Universität von New South Wales zusammen, um die Technologie zu testen und zu entwickeln. Die neue Graphenoxid-Batterietechnologie soll auf den vielfältigen Markt der IOT-Geräte ausgerichtet werden. Eine Graphenoxid-Batterie, die sich durch die Feuchtigkeit in der Luft oder auf der Haut selbst aufladen kann, klingt nach einem erstaunlichen Fortschritt für Uhren, stromsparende E-Reader und mehr.

Graphen-Aluminium-Ionen-Batterie.

GMG hat in Zusammenarbeit mit der University of Queensland Research und UniQuest die Graphen-Aluminium-Ionen-Batterietechnologie entwickelt. Diese Batterie verwendet Graphen und Aluminium als Elektrodenmaterialien und wird allgemein als Graphen-Aluminium-Batterie bezeichnet. Die Batterie hat eine Energiedichte von 150-160 Wh/kg und kann innerhalb von 1-5 Minuten extrem schnell aufgeladen werden. Die neue Formulierung zeichnet sich durch eine hohe Energie- und Leistungsdichte im Vergleich zur derzeitigen Lithium-Ionen-Batterietechnologie aus. Sie verspricht eine bis zu 3-fach längere Batterielebensdauer und eine bis zu 70-fach schnellere Ladegeschwindigkeit. Darüber hinaus bieten Aluminium-Ionen-Batterien mit Graphen erhebliche Vorteile in Bezug auf die Batteriesicherheit, die Wiederverwertbarkeit und die längere Lebensdauer der Batterien (über 2000 Zyklen) bei nahezu gleichbleibender Leistung.

Im Juni 2022 hat GMG bereits Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien im Pouch-Zellen-Format hergestellt. GMG plant den Bau einer ersten kommerziellen Produktionsanlage für Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien (G+AI) im Münzzellenformat, gefolgt von einer Massenproduktion paralleler Pouch-Zellen-Batterien. Nach Angaben von GMG liegt die theoretische Energiegrenze dieser Batterien bei etwa 1050 Wh/Kg. Bei weiterer Entwicklung können wir also bald damit rechnen, dass die Energie von Graphen-Batterien die von handelsüblichen Batterien übersteigt. Die Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien im Beutelzellenformat soll für den Einsatz in Smartphones, Tablets, Laptops und mehr hergestellt hat.

Festkörper-Graphen-Batterie.

Die NASA plant die Entwicklung ihrer SABERS-Festkörperbatterie aus Graphen. SABERS steht für Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety (Festkörperbatterien für verbesserte Wiederaufladbarkeit und Sicherheit). Die SABERS-Batterie der NASA, die seit Jahren im Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, und im Langley Research Center in Hampton, Virginia, entwickelt wird, soll Anwendungen ermöglichen, die bisher als unmöglich galten - wie etwa batteriebetriebenes Fliegen. Um eine Graphen-Batterie (oder überhaupt eine Batterie) flugtauglich zu machen, sind mehrere Dinge erforderlich. Sie muss eine angemessene Leistungsdichte aufweisen - mehr Leistung auf weniger Raum. Außerdem muss die Batterie so wenig wie möglich wiegen. Sie muss sich schnell entladen können und für jede Anwendung geeignet sein.

Außerdem muss sie extrem sicher sein, da sie ein Fahrzeug antreiben muss, das Hunderte von Fahrgästen befördern kann. Das bedeutet, dass alle potenziell giftigen oder entflammbaren Chemikalien vermieden werden müssen. Die SABERS-Festkörperbatterie aus Graphen liefert derzeit 500 Wattstunden pro Kilogramm. Das entspricht etwa der doppelten Energiedichte der besten Batterietechnologie, die in aktuellen Elektroautos verwendet wird.

Solarzellen aus Graphen.

Die energetische Nutzung von Graphen beschränkt sich nicht nur auf Batteriematerialien, sondern erstreckt sich auch auf Solarzellen. Forscher in Indien haben gezeigt, dass Graphenstapel zu guten Antireflexionsschichten für Solarzellen verarbeitet werden können. Die Reflexion des Sonnenlichts an der Oberfläche von Solarzellen ist neben der Effizienz der Lichteinkopplung in die aktive Schicht der Zelle eines der großen Probleme der Solarindustrie. Mit Graphenstapeln wird die Reflexion in der Nähe des ultravioletten Teils des Sonnenspektrums von 35 % auf nur 15 % reduziert, wodurch viel Energie eingespart wird. Die Graphenstapel funktionieren wie herkömmliche Antireflexbeschichtungen, indem sie das Licht, das sonst reflektiert würde, in die aktive Schicht der Zelle leiten.

Neue Anwendungen mit Graphen-Batterien

Zahlreiche Energiespeicheranwendungen.

Graphen wurde für zahlreiche Energiespeicheranwendungen vorgeschlagen und eingesetzt, von Blei-Säure-Batterien bis hin zu Superkondensatoren, aber das eigentliche Ziel sind Lithium-Ionen-Batterien. In einigen Batterien wird Graphen nur am Rande eingesetzt - nicht in der Batteriechemie. So stellte Huawei 2016 eine neue graphenverstärkte Li-Ionen-Batterie vor, die Graphen verwendet, um auch bei höheren Temperaturen (60° Grad im Gegensatz zur bestehenden 50°-Grenze) funktionsfähig zu bleiben und eine doppelt so lange Betriebszeit zu bieten. Graphen wird in dieser Batterie für eine bessere Wärmeableitung verwendet - es reduziert die Betriebstemperatur der Batterie um 5 Grad. 

Der Markt kennt mehrere potenzielle Anwendungen für Graphen, von Elektrowerkzeugen bis hin zu Hausinstallationen, aber natürlich wird der Löwenanteil im Automobilsektor verwendet werden. Die Rolle von Graphen in der Batterie ist ebenfalls vielfältig: Unternehmen haben vorgeschlagen, es als Beschichtung eines Stromabnehmers oder als leitfähiges Netzwerk für alternative Lösungen wie Lithium-Schwefel zu verwenden. Der wichtigste Bereich ist jedoch die Rolle, die Graphen entweder bei der Herstellung von Siliziumanoden oder bei der Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Elektroden der aktuellen Generation spielen kann.

Was Graphen-Batterien für Elektrowerkzeuge bedeuten könnten.

Da die Beschichtung von Anoden und Kathoden mit nanogroßen Graphenblättern oder -kugeln zu einer schnelleren Aufladung, einer höheren Leistungsdichte und einem besseren Wärmemanagement führt, ergeben sich für Elektrowerkzeuge zahlreiche Vorteile. Ein Akku für eine Akku-Bohrmaschine oder eine Kreissäge mit hoher Kapazität könnte in nur wenigen Minuten statt in einer Stunde aufgeladen werden. Außerdem könnte er fünfmal so lange laufen.

Mit schnellen Ladezeiten gehen auch schnelle Entladezeiten einher. Das bedeutet, dass man aus einem Graphen-Akku schneller mehr Leistung herausholen kann. Das hat das Potenzial, noch leistungsfähigere kabelgebundene Werkzeuge und Geräte schneller auf eine Batterieplattform zu bringen. Die Energieversorgung ist nicht mehr so problematisch.

Außerdem könnten sich die Ladezeiten so stark verbessern, dass der Begriff "ganztägige Betriebszeit" auf immer größere Werkzeuge ausgedehnt wird. Wenn die Akkus schnell genug aufgeladen werden, können selbst größere Werkzeuge mit einem Akku betrieben werden, während ein anderer nachgeladen wird. Vorausgesetzt, die Ladezeit liegt unter der erwarteten realen Laufzeit, können Sie so einen ganzen Tag lang arbeiten.

Die vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums und der Vorbeck Materials Corp. aus Jessup, Md. entwickelten Batteriematerialien ermöglichen es, Elektrowerkzeuge und andere Geräte, die Lithium-Ionen-Batterien verwenden, in wenigen Minuten statt in Stunden aufzuladen. Darüber hinaus verspricht die Graphen-Batterietechnologie eine höhere Kapazität durch den Einsatz von Siliziumanoden anstelle von Kohlenstoff für neue Lithium-Ionen-Batterielösungen.

Darüber hinaus verwenden mehrere Hersteller wie Positec (Hersteller von Worx, Rockwell und Kress) bereits einige Graphen-Batterietechnologien in ausgewählten tragbaren Elektrowerkzeugen. Elektrowerkzeuge der Marke CAT werben mit der Graphen-Akkutechnologie, mit der sie einen 5-Ah-Akku in weniger als 20 Minuten aufladen können. Außerdem bieten sie eine viermal längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Akkus und eine niedrigere Betriebstemperatur. Andere werden sicher folgen, und einige haben vielleicht schon Batterien mit Graphen-Technologie auf den Markt gebracht, ohne sie jedoch als solche zu vermarkten.

Ein grosser Markt ist die Elektro-Fahrzeugindustrie. Warum sollte jemand nicht ein Auto fahren wollen, das mehr als eine Minute zum Aufladen braucht? Stellt man sich jedoch ein Elektrofahrzeug mit einer Batterie vor, die sich extrem schnell auflädt und eine große Reichweite hat, oder stellt man sich ein Smartphone vor, das sich in weniger als einer Minute auflädt, dass wird es ein Verkaufsargument. Obwohl es derzeit unmöglich erscheinen mag, lassen die Fortschritte bei den Graphen-Batterien diese Möglichkeiten Wirklichkeit werden.

Graphenbatterien in Elektro-Fahrzeugen

Batterien, welche derzeit in Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Energiespeichersysteme wie Batterien spielen in Elektrofahrzeugen (EVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) eine entscheidende Rolle. Zu den wichtigsten Batterietypen, die derzeit in EVs, PHEVs und HEVs als Energiespeichersysteme eingesetzt werden, gehören Lithium-Ionen-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Blei-Säure-Batterien und Ultrakondensatoren.

Von diesen werden Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz, ihres hohen Leistungsgewichts, ihrer guten Leistung bei hohen Temperaturen und ihres besseren Energieverhältnisses pro Gewicht im Vergleich zu anderen Energiespeichersystemen am häufigsten in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Ein geringeres Gewicht ist ein äußerst wichtiger Faktor für Elektrofahrzeugbatterien, denn eine leichte Autobatterie bedeutet eine höhere Kilometerleistung mit einer einzigen Ladung.

Die hohen Temperaturen, die sich während des Batteriebetriebs entwickeln, die hohen Produktionskosten und die Probleme im Zusammenhang mit dem Recycling leerer Batterien sind jedoch die größten Nachteile von Li-Ion-Batterien. Daher hat sich der Schwerpunkt in den letzten Jahren auf Graphenbatterien als Energiespeichersysteme für Elektrofahrzeuge verlagert.

Materialien auf Graphenbasis haben eine hohe Porosität und eine größere Oberfläche und sind extrem stabil und leicht. Darüber hinaus besitzen diese Materialien eine hohe Aufladefähigkeit und Flexibilität und sind gute Leiter für thermische und elektrische Energie, was sie zu einem geeigneten Material für die Energiespeicherung macht.

Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Graphen erhöht die Elektrodendichte und beschleunigt die chemische Reaktion innerhalb der Batterie, was eine größere Energieübertragung und schnellere Ladegeschwindigkeiten bei geringerer Wärmeentwicklung ermöglicht. Graphen wird im Vergleich zu Lithium weniger abgebaut und bietet gleichzeitig eine bessere Leistung, was die Lebensdauer von Batterien für Elektrofahrzeuge erheblich verlängert. Darüber hinaus sind Graphen-Batterien auch kosteneffizienter und nachhaltiger als viele andere Batterien für Elektrofahrzeuge.

Einführung von Graphen-Batterien in Elektrofahrzeugen.

Von den verschiedenen Graphen-basierten Batterietechnologien und -typen werden Graphen-Lithium-Ionen-Batterien voraussichtlich in den nächsten 1-3 Jahren, Festkörperbatterien in den nächsten 4-8 Jahren und Graphen-Superkondensatoren in den nächsten 10 Jahren eingeführt. Graphen-Natrium-Ionen- und Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien können Lithium-Ionen-Batterien potenziell ersetzen, da sie viel billiger und leichter zu recyceln sind und Natrium und Aluminium im Vergleich zu Lithium in der Natur häufiger vorkommen.

Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien könnten in Zukunft die wichtigste Batterie für Elektrofahrzeuge werden, da Graphen-Aluminium-Zellen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen 60-mal schneller geladen werden können und wesentlich mehr Energie speichern als reine Aluminiumzellen. Graphen-Aluminium-Ionen-Zellen können beispielsweise einen AA-Akku innerhalb einer Minute und einen Knopfzellen-Akku in 10 Sekunden wieder aufladen.

Beschränkungen von Graphen-Batterien.

Trotz ihrer Vorteile als Energiespeichersysteme für Elektrofahrzeuge haben Batterien auf Graphenbasis gewisse Einschränkungen. Die wichtigste Einschränkung ist das Fehlen von Massenproduktionstechniken für die Herstellung hochwertiger Graphenbatterien. Derzeit liegen die Produktionskosten für 1 kg Graphen zwischen einigen zehn und tausenden von Dollar, was im Vergleich zu den Produktionskosten von Aktivkohle mit 15 Dollar pro Kilogramm wesentlich höher ist.

Außerdem ist die Dicke von Materialien auf Graphenbasis oft auf wenige Mikrometer begrenzt, was die Gesamtkapazität der Batterie erheblich einschränkt. Darüber hinaus weisen Graphen-Batterien in der Regel eine schlechte Kapazitätserhaltung, einen extrem hohen Verlust beim ersten Zyklus von 50-60 % und niedrige Zykluseffizienzen von 95-98 % bei hohen Stromdichten auf.

Darüber hinaus kann Graphen nicht abgeschaltet werden, da es keine Bandlücke hat, was bedeutet, dass es keinen Ort im Material gibt, an dem keine Elektronen existieren. Daher muss eine künstliche Bandlücke in Graphen erzeugt werden, um dieses Problem zu lösen.

Potenzial von Graphen-Batterien in Elektrofahrzeugen.

Obwohl der Einsatz von Graphenbatterien in Elektrofahrzeugen derzeit möglich ist, sind sie noch nicht auf dem Markt erhältlich, da weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, um Techniken für die Massenproduktion zu entwickeln und die praktischen Fähigkeiten des Materials zu ermitteln. Mehrere Unternehmen haben ihr Interesse an Graphenbatterien für Elektrofahrzeuge bekundet.

So hat Nanotech Energy kürzlich eine Finanzierung von der Fubon Financial Holding erhalten, um mit Graphen verstärkte Batterien für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, während das in Spanien ansässige Unternehmen Graphenano mit einem chinesischen Unternehmen zusammengearbeitet hat, um eine Batterie auf Graphenpolymerbasis zu entwickeln, die Elektrofahrzeugen eine maximale Reichweite von 500 Kilometern und eine Aufladezeit von weniger als 5 Minuten ermöglicht. In Zukunft kann Graphen zu einem entscheidenden Material für die Entwicklung groß angelegter Energiespeicher werden, und Graphen-Batterien bleiben die vielversprechendste Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge.

Vermarktung von Graphen-Batterien

Das Potenzial für Anwendungen ist gross.

Es gibt viele Anwendungen im unteren Technologiebereich, wobei Kleidung und Textilien aus Graphen einen der größten Märkte in Bezug auf die Anzahl der kommerziellen Produkte für Graphen darstellen. Es ist kein Geheimnis, dass Graphen trotz seines Potenzials Schwierigkeiten hatte, in den Hochtechnologiebereich vorzudringen. Aber all dies hat sich in den letzten zwei Jahren geändert.

Neben Biosensoren und Kühlsystemen für Telefone - mehrere chinesische Telefone verwenden inzwischen Kühlsysteme aus Graphen - sind Batterien zu einer der am meisten kommerzialisierten Hightech-Anwendungen für Graphen geworden. Wenn wir von einem wachsenden Markt für Graphen-Batterien sprechen, müssen wir beachten, dass es sich um einige kommerzielle Produkte handelt - nicht um Hunderte -, da es sich immer noch um einen relativ speziellen Technologiebereich handelt.

In den Jahren ab 2020 bis heute wurden einige bemerkenswerte Produkte auf den Markt gebracht. Eines davon stammt von der GAC Group: Nach Jahren der Erprobung und Entwicklung hat GAC endlich eine Batterie für Elektrofahrzeuge entwickelt, die 2021 in die Massenproduktion geht und in den Aion V-Autos eingesetzt werden soll, die noch in diesem Jahr auf den Markt kommen sollen.

Die Kommerzialisierung von Graphenbatterien für kommerzielle Elektrofahrzeuge ist vielleicht eine der größten Entwicklungen bis heute. Parallel dazu hat Skeleton Technologies ultraschnell ladende Graphenbatterien und Superkondensatoren entwickelt, bei denen ein interessantes "zerknittertes" Graphenmaterial verwendet wird. Die Batterien befinden sich noch in der Entwicklung, aber der Zielmarkt ist die Automobilindustrie, und die Superkondensatoren werden bereits in einigen Bussen eingesetzt, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden.

Eine weitere bemerkenswerte Entwicklung stammt von Strategic Elements, das eine flexible, selbstaufladende Batterie mit einer Graphen-Tinte für den Markt der tragbaren medizinischen Geräte und der tragbaren Technologie entwickelt hat. Bis zum Jahr 2022 hat man noch nicht viel über die flexiblen Batterien gehört, so dass man davon ausgehen kann, dass sich das Unternehmen noch in der Prototypenphase befindet, aber es wird wahrscheinlich auf den Markt kommen (oder ein anderes Unternehmen wird ein ähnliches Produkt auf den Markt bringen), da es im Laufe der Jahre im Bereich der Wearables ein großes Interesse an der Entwicklung flexibler Batterien unter Verwendung von Graphen und anderen 2D-Materialien gegeben hat.

Was bald auf den Markt kommt

Wie verändern Graphen die Märkte?

Graphen ist erst wenige Jahre jung und erfüllt bereits jetzt das Versprechen, unsere Welt zu verändern. Eine der ersten Anwendungen, die sich durchsetzen wird, ist Graphen für Batterien und Superkondensatoren. Es werden aus der Forschung aber noch viele weiter Anwendungen in heute noch undenkbaren Bereichen auf den Markt kommen. Es wird erwartet, dass die Akzeptanz von Batterien auf Graphenbasis während des Vorhersagezeitraums aufgrund von Merkmalen wie schneller Ladekapazität, längeren Ladezyklen, Wirksamkeit bei hohen Temperaturen und längerer Ladedauer zunehmen wird. Es wird erwartet, dass der Markt aufgrund der hohen Investitionsrendite hohe finanzielle Investitionen verzeichnen wird.

Der Anstieg der Verkäufe von Elektrofahrzeugen treibt das Wachstum des Graphen-Batteriemarktes aufgrund der größeren Reichweite für Langstreckenfahrten und der kürzeren Ladezeit erheblich an. Außerdem wird erwartet, dass der florierende Markt für tragbare Elektronik das Marktwachstum ankurbeln wird. Die staatlichen Investitionen in Forschung und Entwicklung bieten lukrative Wachstumsmöglichkeiten. Es wird jedoch mögliche Befürchtungen, dass das mangelnde Bewusstsein für die Graphen-Technologie und die Unfähigkeit des Marktes zur Kommerzialisierung der Graphen-Batterie das Wachstum des Graphen-Batteriemarktes behindern werden. Nichtsdestotrotz hat Graphen das Potenzial, in den Bereichen Physik, Chemie, Information, Energie und Geräteherstellung weit verbreitet zu sein. Graphen ist dünn, mechanisch stabil, transparent und ein flexibler Leiter. Seine Leitfähigkeit kann in einem weiten Bereich entweder durch chemische Dotierung oder durch ein elektrisches Feld verändert werden.

Graphen-Batteriemärkte nach Batterietyp, Anwendung und Region.

Der globale Graphen-Batteriemarkt wurde 2019 auf 48,8 Mio. CHF geschätzt und wird bis 2027 voraussichtlich 398,6 Mio. CHF erreichen, wobei im Prognosezeitraum eine jährliche Wachstumsrate von 31,2 % zu verzeichnen sein wird. Graphenbatterien haben sich als die schnellsten verfügbaren Energiespeicherlösungen weltweit herauskristallisiert. Der globale Graphen-Batteriemarkt wird durch die Kommerzialisierung von Graphen zur Verbesserung von Batterien in den letzten Jahren angeheizt und liefert hocheffiziente Energiespeicherlösungen.

Der globale Graphen-Batteriemarkt wird unterteilt nach Batterietyp, Anwendung und Region. Nach Batterietyp wird er in die Segmente Li-Ionen-Batterien, Li-Schwefel-Batterien, Superkondensatoren und Blei-Säure-Batterien unterteilt. Das Li-Ionen-Batterie-Segment dominierte den Graphen-Batterie-Marktanteil in Bezug auf den Umsatz im Jahr 2019 und wird voraussichtlich den gleichen Trend während des Prognosezeitraums zu folgen. Die Anwendungen umfassen im wesentlichen die Bereiche Automobil, Elektronik, Energie, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Industrierobotik und Gesundheitswesen. Der globale Graphen-Batteriemarkt wird aber wert- und volumenmäßig klar vom Automobilsegment dominiert. 

Nach Regionen wird der globale Graphen-Batteriemarkt in Nordamerika (USA, Kanada und Mexiko), Europa (Großbritannien, Deutschland, Türkei, Spanien und übriges Europa), Asien-Pazifik (China, Indien, Japan, Australien und übriges Asien-Pazifik) und LAMEA (Lateinamerika, Naher Osten und Afrika) unterteilt. Auf Europa entfiel der größte Anteil, da die meisten Graphen-Hersteller in dieser Region ansässig sind. Der asiatisch-pazifische Raum leistete den zweitgrößten Beitrag in Bezug auf die Einnahmen und wird voraussichtlich ein erhebliches Wachstum verzeichnen, was auf die zunehmende Verabschiedung von CO2-Emissionsvorschriften und das wachsende Bewusstsein für nicht-konventionelle Energieressourcen zurückzuführen ist. So strebt die japanische Regierung beispielsweise eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 25 % bis 2020 und um 50 % bis 2050 an, indem sie die Entwicklung von Elektrofahrzeugen, umweltfreundlichem Fahren, Hybridfahrzeugen und Wasserstofffahrzeugen vorantreibt. Um dies zu erreichen, benötigt der Energiespeichermarkt Batterien auf Graphenbasis mit sehr großer Kapazität und schneller Lade- und Entladekapazität. Außerdem treibt der sich entwickelnde Elektronikmarkt in dieser Region das Marktwachstum an.

Wichtigste Einflussfaktoren.

Die wichtigsten Faktoren, die sich auf den Graphen-Batteriemarkt auswirken, sind der exponentielle Anstieg der Verkäufe von Elektrofahrzeugen, der Anstieg des Marktes für tragbare Elektronikgeräte sowie die zunehmende Nutzung nicht-konventioneller Energieressourcen. Diese drei Faktoren treiben das Wachstum des globalen Graphen-Batteriemarktes an. Zu den wichtigen Einschränkungen oder Behinderungen für den Graphen-Batteriemarkt zählen hohe Kosten für Rohstoffe, die hohe Qualität Graphen, Mangel an Bewusstsein für die Technologie an sich sowie mangelnde Kommerzialisierung der Graphen-Technologie.

Aber der Trend ist da: Unternehmen auf der ganzen Welt entwickeln verschiedene Arten von mit Graphen verstärkten Batterien. Die Hauptanwendungen sind Elektrofahrzeuge und mobile Geräte. Die Verwendung von Graphen zur Verbesserung der Leistung von Energiespeichern ist seit der Isolierung des 2D-Materials ein wichtiger Schwerpunkt. Sobald die ersten kommerziellen Graphenhersteller gegründet wurden, gab es einen stetigen Strom von Ankündigungen im Zusammenhang mit Batterien.

Auf der Enlit Europe stellte die Graphene Flagship Innovationen aus ihren Spearhead-Projekten vor, bei denen es sich um industriegeführte Initiativen handelt, die daran arbeiten, Materialien aus Forschungslabors in kommerzielle Anwendungen zu überführen. Wie zum Beispiel CircuitBreakers, das von ABB geleitet wird und die ersten fettfreien, wartungsfreien Niederspannungs-Leistungsschalter für den Fehlerschutz in wichtigen Teilen des Stromnetzes entwickelt. Oder GRAPES, unter der Leitung von Enel Green Power, arbeitet an der Kombination von Silizium-Solarzellen mit Perowskit-Solarzellen und ebnet damit den Weg für kostengünstige, hocheffiziente Photovoltaik-Energie, die die Grenzen der Siliziumzellen überschreitet.

Graphen-Lithium-Ionen-Batterien.

Lithium-Ionen-Batterien bilden einen Hauptbereich für die Anwendung mit Graphen. Deshalb ist dieser Markt stark in Bewegung.

Im Februar 2023 gab Evonik bekannt, dass das Unternehmen in den chinesischen Graphenhersteller SuperC investiert hat. Diese Investition stammt aus dem 2022 aufgelegten Sustainability Tech Fund mit einem Gesamtinvestitionsvolumen von 150 Mio. EUR. „Die Technologie von SuperC könne die Reichweite, Robustheit, Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verbessern. Durch die Zugabe von Graphen wird die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Batterien erhöht, was eine schnellere Aufladung und eine bessere Gesamtleistung ermöglicht. Die Batterien werden außerdem temperaturunempfindlicher.“ SuperC ist seit langem ein Akteur im Bereich Graphen, und zu einer Zeit, in der einige andere frühe Hersteller aufgegeben haben, ist dies ein willkommener Impuls für die Branche. Das Unternehmen wurde 2011 in Dongguan, China, gegründet und hat sich schon immer auf die Energiespeicherung konzentriert. Das Unternehmen stellt Graphen in wenigen Schichten (FLG) her, und es wurde schon früh berichtet, dass es eine Kapazität von 10.000 Tonnen pro Jahr für Graphen-Batterie-Elektrodenpasten aufgebaut hat.

VoltaXplore ist ein 50/50-Joint-Venture zwischen NanoXplore und Martinrea. VoltaXplore hat 2022 eine Demonstrationsanlage in Betrieb genommen, und erst kürzlich hat Nanotech Energy 2023 angekündigt, dass sie eine 1 Mrd. Pfund teure Gigafabrik in Großbritannien planen. Die Kombination eines großen Chemieunternehmens mit einem führenden Graphenhersteller, an einem wichtigen geografischen Standort und mit nachgewiesenen Fähigkeiten und Beziehungen im Bereich Lithium-Ionen-Batterien könnte sehr bedeutend sein am Markt.

Mit Graphen verstärkte Lithium-Schwefel-Batterie.

Der Wendepunkt in der Entwicklung von Graphen-Hybridbatterien kam Ende 2021, als das in Kalifornien ansässige Unternehmen Lyten bekannt gab, dass es eine Graphenbatterie für Elektrofahrzeuge mit einer Energiedichte entwickelt hat, die dreimal so hoch ist wie die von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Bei diesen Batterien handelt es sich um Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S), die seit langem als die nächste Generation von wiederaufladbaren Batterien angepriesen werden. Das Problem bei der praktischen Anwendung von Li-S-Batterien ist jedoch die Bildung von löslichen Polysulfid-Spezies während der Entladezyklen. Diese Zwischenprodukte diffundieren zwischen Anode und Kathode und verursachen interne Kurzschlüsse. Dieses Phänomen wird gemeinhin als Shuttling-Effekt bezeichnet und ist für den schlechten Wirkungsgrad und den schnellen Kapazitätsabfall von Li-S-Zellen verantwortlich. Um dieses Problem zu lösen, baute Lyten eine 3D-Graphenmembran in die Schwefelkathode ein, die als effektiver Separator fungiert und die zyklische Kapazitätsabnahme verringert. Das Produkt trägt den Namen LytCell EV und liefert Berichten zufolge eine Energiedichte von 900 Wh/kg. Tests haben offenbar gezeigt, dass ein LytCell-Prototyp mehr als 1.400 Lade- und Entladezyklen überstehen kann.

Mit Graphen verstärkte Polymerbatterie.

PolyJoule, ein Spin-off-Unternehmen des Massachusetts Institute of Technology (MIT), kündigte kürzlich eine neue Batterietechnologie für Hochleistungs-Backup-Anwendungen in Rechenzentren und Stromnetzen an. Bei dem Gerät handelt es sich um eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden, einem Kohlenstoff-Graphen-Hybrid und einem leitfähigen Polymer. Die Batterie kann eine Leistung von bis zu 1 MW in weniger als 10 Sekunden entladen und in weniger als fünf Minuten wieder aufladen. Sie hat einen Spannungsbereich von 158 V bis 972 V und kann kontinuierlich bei Temperaturen von -40 °C bis 50 °C mit minimalem Kapazitätsverlust betrieben werden.

Nicht entflammbare Li-Batterie aus Graphen.

Ein Kurzschluss in einer Li-Ionen-Batterie führt dazu, dass die Batterie Feuer fängt, was zu Bedenken hinsichtlich ihrer Verwendung in Verbraucherprodukten geführt hat. Grund dafür ist der entflammbare Elektrolyt, der in der Li-Ionen-Batterie enthalten ist. Nanotech Energy mit Sitz in den Vereinigten Staaten hat einen nicht entflammbaren Li-Ionen-Akku auf Graphenbasis entwickelt, der sowohl sicher als auch umweltfreundlich ist. Sie verwendeten Graphen als Elektrodenmaterial in ihrer Lithium-Ionen-Batterie und entwickelten einen kostengünstigen, nicht entflammbaren Elektrolyten namens OrganoLyteTM. Die Batterie soll eine Energiedichte von 162,5 Wh/kg haben und mehr als 1400 Zyklen (fast 10 Jahre) bei 80 Prozent Kapazität aushalten. Die Batterie ist völlig feuerfest und für alle Wetterbedingungen geeignet. Zum Vergleich: Herkömmliche Li-Batterien halten nur 300-500 Zyklen (etwa zwei bis drei Jahre) aus. Nach den letzten Aktualisierungen hat das Unternehmen begonnen, Vorbestellungen entgegenzunehmen, und die Batterie kann für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, Computern und militärischen Anwendungen angepasst werden.

Erste Produkte:

Hammerbohrer mit Ultra-Performance Graphen-Akku.

Der neue Cat® 18V 1/2 Zoll. DX13 Brushless Hammer Drill beansprucht für sich, das erste tragbare Elektrowerkzeug zu sein, das mit einem Graphen-Akku ausgestattet ist. Dieser hochmoderne Graphene-Akku mit 18 V und 5,0 Ah liefert die doppelte Leistung, lädt dreimal schneller und hat eine viermal längere Lebensdauer als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Dies führt zu einer deutlich höheren Produktivität, geringeren Ausfallzeiten und Kosteneinsparungen für Profis, die von ihren Werkzeugen optimale Leistung, fortschrittliche Technik und längere Laufzeiten erwarten. Stellen Sie sich vor, Sie könnten einen 5Ah-Akku in 20 Minuten vollständig aufladen und hätten die doppelte Leistung, um einige der härtesten Anwendungen auf der Baustelle zu bewältigen, ohne an ein Kabel angeschlossen zu sein.

Darüber hinaus bietet der Graphene-Akku die vierfache Anzahl an Lebenszyklen, d. h. 1200 Aufladungen mit einem einzigen Akku und eine 5-Jahres-Garantie, um dahinter zu stehen. Dies ist von Bedeutung, denn es bedeutet Kosteneinsparungen für Profis, da sie ihren Akku nicht mehr so oft wie Lithium-Ionen-Akkus austauschen müssen.

Tesla.

Tesla hat kürzlich bekannt gegeben, dass die Batterie des Model 3 eine Energiedichte von fast 260 Wh/kg aufweist. Sie erfordert jedoch ein kompliziertes Kühlsystem, um Überhitzung zu vermeiden, und nimmt daher viel Platz in Anspruch. Da Graphenbatterien hingegen nicht überhitzen oder explodieren, ist kein Kühlsystem erforderlich, und der Platz könnte für energiespeichernde Batterien in Elektrofahrzeugen genutzt werden.

AION V.

Ein Durchbruch in der Graphen-Batterietechnologie wurde erzielt, als GAC Motor Co. Ltd, ein chinesisches Automobilunternehmen, die Markteinführung des AION V ankündigte, der mit einer Graphenbatterie ausgestattet ist, die eine Reichweite von 1000 km hat und in 8 Minuten auf 80 Prozent der Kapazität aufgeladen werden kann. Zweifellos wird die derzeitige Kommerzialisierung von Graphen-Batterien bald konventionelle Batterien übertreffen und zu einer breiteren Anwendung führen.

Die Zukunft von Graphen-Batterien

Was Sie sehen, ist was Sie bekommen

Obwohl niemand vorhersagen kann, was passieren wird, gibt es ein breites Anwendungsspektrum für Graphenbatterien. Da der Energiebedarf in der Gesellschaft weiter steigt - sowohl in kleinem Maßstab als auch in größeren Systemen - wird es einen Bedarf an kleineren und energiereicheren Speichersystemen mit höherer Dichte geben.

Graphen kann eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung der Energietechnik spielen. Allerdings müssen noch zwei wichtige Probleme gelöst werden, bevor Nanomaterialien und -geräte auf Graphenbasis eine breite kommerzielle Anwendung finden. Wie Nanowerk berichtet, besteht das eine Problem in der Herstellung von Nanomaterialien auf Graphenbasis mit wohldefinierten Strukturen und das andere in der kontrollierbaren Herstellung dieser Materialien zu funktionellen Geräten. Die weitere Erforschung von Graphen und seinen potenziellen Anwendungsmöglichkeiten im Energiesektor kann daher einen schnelleren Wandel bewirken. Probleme, die in der heutigen Welt als normal angesehen werden, wie Stromausfälle, mangelnder Zugang zu Elektrizität und Stromausfälle aufgrund extremer Wetterbedingungen, werden schließlich obsolet werden, wenn Energiespeicher und -erzeugungsgeräte Graphen in ihre Konstruktionen integrieren. 

Was die Zukunft der Nanotechnologie auf Graphenbasis betrifft, so bleibt sie ein komplizierter und teurer Prozess. Mit weiterer Forschung und Skaleneffekten könnte sie die Lebensdauer von schnurlosen Elektrowerkzeugen verlängern. Außerdem sollte es den Herstellern möglich sein, viel mehr Leistung in ein kleineres Paket zu packen. In Verbindung mit kühleren Betriebstemperaturen und schnellerem Aufladen könnte die Graphen-Akkutechnologie in den nächsten 5-10 Jahren kabellose Werkzeuge, Elektrofahrzeuge und schwere Maschinen revolutionieren.

Man kann sich nicht auf eine bestimmte Richtung der Graphen-Batterietechnologie festlegen, sondern muss davon ausgehen, dass sie in allen Bereichen zum Einsatz kommen wird. Dazu gehören die Festkörpertechnik, der Einsatz in der Kühltechnik, gebogene Lösungen zur Beschleunigung des Ladevorgangs und die vollständige Integration in Anoden und Kathoden. Stellen Sie sich die Möglichkeiten vor, die sich aus den Ankündigungen ergeben, die wir gesehen haben. Wenn man eine Graphen-Batterie mit der doppelten Leistungsdichte in ein Elektroauto einbaut, könnte man mit einer Ladung bis zu 1000 Meilen weit kommen! Außerdem könnte das Fahrzeug in der gleichen (oder einer kürzeren) Zeit wieder aufgeladen werden wie aktuelle Fahrzeuge mit einer Reichweite von etwa 350 Meilen.

Graphen sind trotz des ganzen Hypes eine Lösung in einem relativ frühen Stadium, was die Akzeptanz angeht. Und es wird in Zukunft viele Anwendungen geben, aber für alle Anwendungen brauch es viel Know-how. Sowohl bei der Dispersion als auch bei der Optimierung der Beladung und der entsprechenden Eigenschaften in Kombination mit anderen leitfähigen Additiven ist ein erhebliches Know-how erforderlich. Nebst Know-how  wird der Preis von Graphen ein wichtiger Faktor sein. Doch sind die Wertschöpfung und die entsprechenden Margen im Bereich der Energiespeicherung attraktiv. Was die nächste Generation von Batterien anbelangt, so gibt es viele außerordentlich gut finanzierte tragfähige Lösungen sowohl für Siliziumanoden als auch, in weiterer Folge, für Festkörperbatterien.