Was ist eine Graphenbatterie? [Ein einfacher Überblick]

Die Batterietechnologie hat sich in diesen Tagen stark verbessert. Aber wenn es eines gibt, werden die Leute nie genug davon bekommen, ist das Versprechen einer längeren Akkulaufzeit. Wäre es nicht toll, wenn unsere Laptops und Smartphones mit einer einzigen Ladung eine ganze Woche intensiver Nutzung durchhalten? Oder was wäre, wenn Elektroautos in wenigen Minuten vollständig aufgeladen werden könnten?

Mit Graphenbatterien ist alles möglich.

Graphen ist derzeit das am besten erforschte Material zur Ladungsspeicherung. Ergebnisse aus verschiedenen Labors auf der ganzen Welt bestätigen sein Potenzial, die Energiespeicherbranche zu revolutionieren.

Graphen wurde 2004 entdeckt und könnte im nächsten Jahrzehnt viele neue Funktionen für Energiespeichergeräte präsentieren, wie beispielsweise vollständig aufrollbare Batterien, kleinere Kondensatoren, Hochleistungs- und Schnellladegeräte und transparente Batterien.

Lassen Sie uns tiefer graben und mehr über diese bahnbrechende Technologie erfahren:Wie unterscheidet sie sich von bestehenden Lithium-Ionen-Batterien, was sind ihre Anwendungen und warum ist sie so wichtig.

Was genau ist eine Graphen-Batterie?

Graphen, eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen Wabengitter angeordnet ist, gilt aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften als „Wundermaterial“. Es ist ein hervorragender Wärme- und Stromleiter, beeindruckend flexibel, nahezu transparent, 100-mal stärker als Stahl gleicher Dicke und extrem leicht.

Atome in Graphen, die in einem zweidimensionalen Wabengitter angeordnet sind

Und da das Material zudem umweltfreundlich und nachhaltig ist, hat es unbegrenzte Möglichkeiten in den unterschiedlichsten Anwendungen. Eine dieser vielversprechenden Anwendungen ist die Batterie der nächsten Generation.

Graphen kann in verschiedene Arten von Batterien integriert werden:Metall-Luft-, Redox-Flow-, Lithium-Metall-, Lithium-Schwefel- und vor allem Lithium-Ionen-Batterien. Es kann chemisch zu verschiedenen Versionen verarbeitet werden, die sowohl für die negative als auch für die positive Elektrode geeignet sind.

Mit Graphen hergestellte Batterien können alles von Handheld-Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen mit Strom versorgen. Sie halten mehr Leistung und haben längere Lebenszyklen als herkömmliche (Lithium-Ionen-)Batterien.

Graphen als Batterie kann auch als Superkondensator verwendet werden, der sich unglaublich schnell laden und entladen kann. Tatsächlich könnten sie der Zivilisation helfen, sich endlich von schädlichen fossilen Brennstoffen zu entfernen.

Wie unterscheiden sie sich von herkömmlichen Batterien?

Die Graphen-Batterietechnologie ähnelt Lithium-Ionen-Batterien:Sie verfügt über zwei feste Elektroden und eine Elektrolytlösung, um den Ionenfluss zu ermöglichen. Einige Graphenbatterien enthalten jedoch Festelektrolyt.

Der Hauptunterschied liegt in den Bestandteilen einer oder beider Elektroden. Bei einer herkömmlichen Batterie besteht die Kathode (positive Elektrode) vollständig aus Festkörpermaterialien. In einer Graphenbatterie besteht die Kathode jedoch aus einer Hybridkomponente, die Graphen und ein metallisches Festkörpermaterial enthält.

Die in der Elektrode verwendete Graphenmenge variiert je nach Effizienz und Leistungsanforderungen des Festkörpermaterials. Darüber hinaus bietet Graphen als Anode eine hohe Kapazität und eine überlegene Geschwindigkeit.

Aktuelle Herausforderungen

In den letzten Jahren haben Forscher verschiedene Batterien auf Graphenbasis gezeigt, die die im Handel erhältlichen übertreffen. Die Technologie ist jedoch noch nicht auf dem Markt. Zwei große Hürden sind noch zu überwinden:

1. Der Mangel an effizienten Verfahren zur Herstellung von hochwertigem Graphen in großen Mengen
2. Die Produktionskosten sind im Moment unerschwinglich hoch.

Die Herstellung eines Kilogramms Graphen kostet Zehntausende Dollar:Die Menge variiert je nach Anforderung an die Materialqualität. Da Aktivkohle, die derzeit in Superkondensatoren verwendet wird, zu geringen Kosten (15 USD pro kg) erhältlich ist, ist es für andere Materialien sehr schwierig, auf den kommerziellen Markt zu kommen.

12 neue Funktionen von Graphen-Batterien

Graphen könnte bald Energiespeichergeräte der neuen Generation mit außergewöhnlichen Eigenschaften etablieren, die mit der aktuellen Technologie nicht möglich sind.

1. Superkondensatoren mit Netzfilterung 

Ein elektrischer Doppelschichtkondensator basierend auf vertikal ausgerichteten Graphenschichten könnte sehr schnell (in weniger als einer Millisekunde) geladen/entladen werden. Dutzende von Materialien wurden auf AC-Leitungsfilterung getestet, darunter Graphenoxid, Graphen-CNT (Carbon NanoTube)-Teppich und Graphen-Quantenpunkte.

Solche ultraschnellen Superkondensatoren könnten die großen Elektrolytkondensatoren ersetzen, die derzeit in der Elektronik verwendet werden, und elektronische Geräte leichter und kleiner machen.

2. Flexible Energiespeicher

Vorhandene Batterien und Superkondensatoren sind starr:Daher kann ein Verbiegen zu einem Auslaufen von Elektrolyt und zu Zellschäden führen. Graphen mit seiner zweidimensionalen, ein Atom dicken Struktur kann jedoch in senkrechter Richtung zu seiner Oberfläche verformt werden, ohne Schaden zu nehmen.

Neben dieser inhärenten mechanischen Flexibilität machen phänomenale elektrische Eigenschaften und eine große Oberfläche Graphen zu einem vielversprechenden Material für flexible Batterien.

3. Dehnbare Batterien und Superkondensatoren

Dehnbare Energiespeichergeräte können gebaut werden, indem die strukturelle Dehnbarkeit von Mikrowaben-Graphen-CNT/Aktivmaterial-Verbundelektroden und einem physikalisch vernetzten Gelelektrolyt genutzt wird.

Graphen-CNT/Aktivmaterial-Folie auf dem dehnbaren Substrat | Credit:ACS Nano

Aktive Materialien, die über die verschränkten Kohlenstoffnanoröhren und Graphenschichten miteinander verbunden sind, bilden ein mechanisch stabiles poröses Netzwerkgerüst, während das nach innen ragende Gerüst in der Wabenstruktur eine strukturelle Dehnung während der Verformung ermöglicht.

4. Schnelllade-Lithium-Ionen-Akkus

Da Graphen einen schnelleren Ionen- und Elektronentransfer in den Elektroden ermöglicht, können mit Graphen ausgestattete Lithium-Ionen-Batterien in viel kürzerer Zeit geladen und entladen werden.

Zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie, die mit nanoskaligem LiFePO₄ . geladen ist Kathode und Li₄ Ti₅ O₁₂ Anodenmaterialien auf flexiblem Graphenschaum können in nur 18 Sekunden vollständig aufgeladen werden. An der Anode kann auch reines Graphen verwendet werden, um die Kapazität und die ultraschnelle Lade-/Entladerate zu verbessern.

5. Batterien für tragbare Geräte 

Jüngste Fortschritte bei Koaxial- und Kern-Mantel-Elektroden haben es möglich gemacht, Elektrodenmaterial und Stromkollektor in einem einzigen Garn zu kombinieren, das direkt in Textilien gewebt oder gestrickt werden kann.

Graphen kann effektiv zu multifunktionalen Mikrofasern zusammengesetzt und zu Stoffen gewebt werden. Graphen-Kern-Mantel-Mikrofasern wurden bereits verwendet, um flexible und dehnbare Superkondensatoren (mit hoher Flächenkapazität) zu demonstrieren, die mit traditionellen Webverfahren in Textilien eingearbeitet werden können.

6. Ultradünne Stromabnehmer für leichte Geräte

Bestehende Batterien verwenden Metallfolien-Stromkollektoren (wie Kupfer, Aluminium oder Nickel) mit einer Dicke von 20 bis 80 Mikrometer, um den Elektronenfluss zwischen Elektroden und externen Schaltkreisen zu erleichtern. Da diese Metalle keine Ladung speichern, reduzieren sie die Gesamtenergiedichte der Batterie. Darüber hinaus leiden sie unter Korrosion, was sich negativ auf den Innenwiderstand der Zelle und die Batterielebensdauer auswirkt.

Graphen hingegen ist ein besserer alternativer Stromkollektor. Es hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine geringe Dichte und kann unter extremen Betriebsbedingungen stabil arbeiten. Graphen kann leicht in Filme mit Wellen und Falten auf seiner Oberfläche umgewandelt werden, was zu einem besseren elektrischen Kontakt mit aktiven Materialien führt (dies verringert den Zellwiderstand weiter).

7. Transparente Batterien und Superkondensatoren

Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und guten Transparenz (bis zu 97,7% Transmission) kann Graphen eine wichtige Rolle dabei spielen, transparente Batterien effizienter zu machen. Es kann als Elektrodenmaterial nicht nur für die Entwicklung transparenter Energiespeicher verwendet werden, sondern auch für intelligente Fenster, Solarzellen und verschiedene optoelektronische Geräte.

8. Akkus mit längerer Lebensdauer 

Heutige Lithium-Ionen-Batterien verwenden Graphitanoden. Seine Energiedichte kann erhöht werden, indem Graphit durch Graphen ersetzt wird.

Graphenelektroden in Form von gefaltetem Graphenpapier, porösen Graphenfilmen und solvatisierten Graphengerüsten bieten dreimal mehr Kapazität als herkömmliche Graphitelektroden und versprechen eine größere Reichweite für Elektrofahrzeuge und längere Laufzeiten für Handheld-Geräte.

Die Kapazität und Leistungsdichte kann durch Dotieren von Graphenanoden mit Stickstoff und Bor weiter verbessert werden.

9. Graphenoxid als Festelektrolyt und Separator

Graphenoxid ist ein guter elektronischer Isolator. Es kann gleichzeitig als brauchbarer Festelektrolyt und Elektrodenseparator verwendet werden. Einige Studien zeigen, dass ein Graphenoxidfilm, der als Festelektrolyt fungiert, eine hohe Kapazität aufweist, aber eine nicht nachweisbare Ionendiffusion ähnlich wie bei dielektrischen Kondensatoren.

Diese Beobachtungen können Forschern helfen, ultraschnelle, leichte, energiedichte Kondensatoren zu entwickeln, die nicht unter Ionendiffusion leiden, die oft für die Gefahr des Auslaufens von Elektrolyten verantwortlich ist.

10. Superkondensatoren mit der Energiedichte von Batterien

Superkondensatoren, die mit [porösen und dichten] Graphenschäumen hergestellt werden, neigen dazu, ultrahohe Energiedichten zu haben, die mit Blei-Säure-Batterien vergleichbar sind. Diese Graphenschäume werden hergestellt, indem winzige Löcher in die Grundflächen des Graphens gegraben und dann mit fortschrittlicher hydraulischer Ausrüstung komprimiert werden.

Der Hauptvorteil von Graphen-Superkondensatoren gegenüber herkömmlichen besteht darin, dass sie mit wässrigen Elektrolyten arbeiten und ohne aufwendige „Trockenraum“-Montage hergestellt werden können.

11. Semipermeable Graphenoxidmembranen

Graphenoxidmembranen weisen verschiedene einzigartige Barriereeigenschaften auf. Im trockenen Zustand sind diese Membranen für alles außer Wasserdampf undurchlässig. In Wasser verhalten sie sich wie Molekularsiebe und blockieren große Ionen, während sie den Transport kleinerer erleichtern.

Diese Merkmale können zur Entwicklung von ionenselektiven Membranen der neuen Generation für Superkondensatoren, Batterien und Brennstoffzellen führen.

12. Bindemittel- und additivfreie Elektroden

Bindemittel und Additive machen zusammen bis zu 40 % der Masse der Elektrode aus. Es wird als „tote Masse“ bezeichnet, da es keine Ladung speichert und somit die Gesamtenergiedichte verringert.

Da Graphen jedoch zu selbststehenden 2D- und 3D-Strukturen mit hoher Stromleitfähigkeit zusammengebaut werden kann, ist es möglich, Graphen direkt in Elektroden einzubauen, ohne Bindemittel und leitfähige Mittel hinzuzufügen.

Lesen Sie:Festkörperbatterie [Eine einfache Übersicht]

Neuere Studien

In den letzten zehn Jahren haben sich Wissenschaftler auf die Verbesserung der umfassenden elektrochemischen Leistung und Zuverlässigkeit bestehender Batterien konzentriert. Sie haben viele verschiedene Versionen von Batterien entwickelt und getestet, die mit Graphen-Verbundstoffen ausgestattet sind.

Lithium-Ionen-Akku basierend auf optimierten Graphen/Silizium-Nanokompositen

Forscher haben einen optimierten reduzierten Graphenoxid/Silizium-Verbundstoff unter Verwendung einer einfachen Schablonen-Selbstorganisationsmethode hergestellt. Graphen unterstützt einheitlich Silizium-Nanopartikel und bildet ein dreidimensionales Netzwerk (aufgrund der verbesserten intermolekularen Wechselwirkung und der erhöhten spezifischen Oberfläche).

Die Synthesestrategie des optimierten RGO/Si-Komposits | Quelle:ACS-Publikationen 

Es kann als stabiles Festelektrolyt-Zwischenphasenblatt verwendet werden, das sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die strukturelle Stabilität erhöht.

Graphenbasierte Pouch-Zellen

Eine auf Graphen basierende Quasi-Festkörper-Lithium-Sauerstoff-Batterie liefert eine höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte als bestehende Lithium-Ionen-Polymer-Batterien. Es besteht aus einer porösen 3D-Graphenkathode, einer porösen Graphen/Li-Anode und einem Redox-Mediator-modifizierten Gel-Polymer-Elektrolyt.

Schematische Darstellung Graphen-basierte Li-O2-Batterie | Credit:Natur 

Diese Studie eröffnet einen neuen Weg für die Entwicklung sicherer und stabiler Lithium-Sauerstoff-Batterien mit stabilen Zyklen bei großer Kapazität und geringem Ladungsüberpotential.

Graphen-Laminatfolien zur kapazitiven Energiespeicherung

Im Jahr 2020 entwarf ein Forscherteam eine freistehende Graphen-Laminatfolienelektrode mit hocheffizienter Porennutzung. Es ist einfach, die Porosität zu konfigurieren, indem der Zwischenschichtabstand des Films eingestellt wird. Da Poren optimal genutzt werden, wird die volumetrische Kapazität maximiert.

Flexible Graphen-Superkondensatoren können 10x mehr Energie speichern als herkömmliche | Kredit:University College London 

Diese Art von Superkondensatoren können nach 5.000 Zyklen 97,8% ihrer Energiekapazität behalten. Außerdem sind sie sehr flexibel:Sie verhalten sich bei einer Biegung um 180 Grad fast genauso, wie wenn sie flach liegen.

Laserinduzierte Elektrode auf Graphenbasis

Wissenschaftler haben einen flexiblen Mikro-Superkondensator durch ein einzelnes Laser-Photonen-Reduktions-Stanzen hergestellt. Mit diesem Verfahren können pro Sekunde 1.000 räumlich geformte Laser und innerhalb von 10 Minuten über 30.000 Mikro-Superkondensatoren hergestellt werden.

Mehr als 30.000 MSCs werden auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter hergestellt | Bildnachweis:Beijing Institute of Technology 

Diese laserinduzierte Elektrode auf Graphenbasis weist eine hervorragende spezifische Kapazität, eine ultrakurze Zeitkonstante, eine ultrahohe Energiedichte und eine langfristige Zyklisierbarkeit auf.

Markt

Die Graphenforschung wird in den nächsten zehn Jahren weiter expandieren mit dem Versprechen, das Leben der Menschen zu verbessern. Im Jahr 2019 wurde der globale Markt für Graphenbatterien auf 49 Millionen US-Dollar geschätzt und wird bis 2027 voraussichtlich etwa 399 Millionen US-Dollar erreichen, was eine CAGR (Compound Annual Growth Rate) von über 31 % im Prognosezeitraum verzeichnet.

Das Marktwachstum wird durch die Verwendung von Graphenbatterien in Elektrofahrzeugen, tragbaren elektronischen Geräten und die zunehmende Einführung nichtkonventioneller Energieressourcen angetrieben. Das Automobilsegment wird aufgrund der steigenden Nachfrage nach Elektroautos aus Umweltgründen voraussichtlich die höchste Wachstumsrate aufweisen.

Lesen Sie: 10 verschiedene Batterietypen | Erklärt

Basierend auf der Region wird der asiatisch-pazifische Raum voraussichtlich den größten Anteil der Graphenbatterieindustrie ausmachen. Die wichtigsten Länder, die zu der erhöhten Nachfrage beitragen, sind China, Japan und Südkorea. Europa wird wahrscheinlich den zweitgrößten Anteil am globalen Markt für Graphenbatterien haben.