Graphen-Batterien erklärt: Die Zukunft langlebiger Energie

Die Batterietechnologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Doch eines werden die Menschen nie genug bekommen: das Versprechen längerer Batterielaufzeiten. Wäre es nicht toll, wenn Laptops und Smartphones bei intensiver Nutzung eine ganze Woche mit nur einer Ladung durchhielten? Oder wenn Elektroautos in wenigen Minuten vollgeladen wären?

Mit Graphen-Batterien ist all das möglich.

Graphen ist derzeit das am meisten erforschte Material für die Ladungsspeicherung. Ergebnisse aus Laboren weltweit bestätigen sein Potenzial, die Energiespeicherbranche zu revolutionieren.

Seit seiner Entdeckung 2004 könnte Graphen im nächsten Jahrzehnt viele neue Funktionen für Energiespeichergeräte ermöglichen: vollständig aufrollbare Batterien, kleinere Kondensatoren, hochkapazitive und schnellladende Geräte sowie transparente Batterien.

Lassen Sie uns tiefer eintauchen und mehr über diese bahnbrechende Technologie erfahren: Wie unterscheidet sie sich von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, welche Anwendungen gibt es und warum ist sie so bedeutend?

Was genau ist eine Graphen-Batterie?

Graphen, ein Blatt aus Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen Bienenwaben-Gitter angeordnet sind, gilt aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften als „Wundermaterial“. Es ist ein hervorragender Leiter von Wärme und Strom, beeindruckend flexibel, nahezu transparent, 100-mal stärker als Stahl bei gleicher Dicke und extrem leicht.

Atome in Graphen, angeordnet in einem zweidimensionalen Bienenwaben-Gitter

Da das Material zudem umweltfreundlich und nachhaltig ist, bietet es unbegrenzte Möglichkeiten in einer Vielzahl von Anwendungen. Eine dieser vielversprechenden Anwendungen ist die Batterie der nächsten Generation.

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

Mit Graphen hergestellte Batterien können alles antreiben – von Handgeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen. Sie speichern mehr Energie und haben längere Lebenszyklen als herkömmliche kommerzielle (Lithium-Ionen-)Batterien.

Graphen als Batterie kann auch als Superkondensator fungieren, der extrem schnell laden und entladen kann. Tatsächlich könnten sie der Zivilisation endlich helfen, sich von schädlichen fossilen Brennstoffen zu lösen.

Wie unterscheiden sie sich von traditionellen Batterien?

Die Graphen-Batterietechnologie ähnelt der von Lithium-Ionen-Batterien: Sie hat zwei feste Elektroden und eine Elektrolytlösung für den Ionenfluss. Einige Graphen-Batterien verfügen jedoch über einen festen Elektrolyten.

Der Hauptunterschied liegt in der Zusammensetzung einer oder beider Elektroden. In einer herkömmlichen Batterie besteht die Kathode (positive Elektrode) vollständig aus festen Materialien. In einer Graphen-Batterie hingegen besteht die Kathode aus einer Hybridkomponente, die Graphen und ein festes metallisches Material enthält.

Die Menge des verwendeten Graphens in der Elektrode variiert je nach Effizienz und Leistungsanforderungen des festen Materials. Darüber hinaus bietet Graphen als Anode eine hohe Kapazität und überlegene Rate-Fähigkeit.

Aktuelle Herausforderungen

In den letzten Jahren haben Forscher verschiedene Graphen-basierte Batterien demonstriert, die kommerziell erhältliche übertreffen. Doch die Technologie hat den Markt noch nicht erreicht. Zwei große Hürden müssen noch überwunden werden:

1. Fehlende effiziente Prozesse zur Herstellung von hochwertigem Graphen in großen Mengen
2. Die Produktionskosten sind derzeit prohibitiv hoch.

Die Herstellung eines Kilogramms Graphen kostet Zehntausende Dollar; der Betrag variiert je nach Qualitätsanforderungen. Da aktiviertes Kohlenstoff, das derzeit in Superkondensatoren verwendet wird, zu niedrigen Kosten (15 $ pro kg) erhältlich ist, ist es für andere Materialien sehr schwierig, in den kommerziellen Markt einzutreten.

12 neue Funktionen von Graphen-Batterien

Bald könnte Graphen Energiespeichergeräte der nächsten Generation mit außergewöhnlichen Eigenschaften etablieren, die mit aktueller Technologie nicht möglich sind.

1. Superkondensatoren mit AC-Leitungsfilterung
   Ein elektrischer Doppelschichtkondensator basierend auf vertikal ausgerichteten Graphenblättern könnte in weniger als einer Millisekunde geladen/entladen werden. Dutzende Materialien wurden für AC-Leitungsfilterung getestet, darunter Graphenoxid, Graphen-CNT-Teppich (Carbon NanoTube) 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 Energiespeichergeräte
   Bestehende Batterien und Superkondensatoren sind starr: Das Biegen kann zu Elektrolytleckagen und Zellschäden führen. Graphen jedoch kann mit seiner zweidimensionalen, einatomigen Struktur in Richtung normal zu seiner Oberfläche verformt werden, ohne Schaden zu nehmen.
   Zusätzlich zu dieser inhärenten mechanischen Flexibilität machen phänomenale elektrische Eigenschaften und große Oberfläche Graphen zu einem vielversprechenden Material für flexible Batterien.
3. Dehnbare Batterien und Superkondensatoren
   Dehnbare Energiespeichergeräte können durch Nutzung der strukturellen Dehnbarkeit von Mikro-Bienenwaben-Graphen-CNT/aktivem Material-Verbundelektroden und einem physikalisch vernetzten Gelelektrolyten gebaut werden.
   

   Graphen-CNT/aktivem Material-Film auf dehnbarem Substrat | Quelle: ACS Nano

   Aktive Materialien, die über verwobene Kohlenstoffnanoröhren und Graphenblätter miteinander verbunden sind, bieten ein mechanisch stabiles poröses Netzwerkgerüst, während der nach innen ragende Rahmen in der Bienenwabenstruktur strukturelles Dehnen bei Verformung ermöglicht.
4. Schnellladende Lithium-Ionen-Batterien
   Da Graphen schnelleren Ionen- und Elektronentransfer in den Elektroden ermöglicht, können Lithium-Ionen-Batterien mit Graphen in viel kürzerer Zeit geladen und entladen werden.
   Beispielsweise kann eine Lithium-Ionen-Batterie mit nanoskaligem LiFePO₄-Kathoden- und Li₄Ti₅O₁₂-Anodenmaterial auf flexiblem Graphenschaum in nur 18 Sekunden vollständig geladen werden. Reines Graphen kann auch an der Anode verwendet werden, um Kapazität und ultraschnelle Lade-/Entladeraten zu verbessern.
5. Batterien für Wearables
   Jüngste Fortschritte bei koaxialen und Kern-Mantel-Elektroden haben es ermöglicht, Elektrodenmaterial und Stromableiter in einem einzigen Faden zu kombinieren, der direkt in Textilien gewebt oder gestrickt werden kann.
   Graphen kann effektiv zu multifunktionalen Mikrofasern zusammengefügt und in Stoffe eingewebt werden. Graphen-Kern-Mantel-Mikrofasern wurden bereits verwendet, um flexible und dehnbare Superkondensatoren (mit hoher Flächenkapazität) zu demonstrieren, die mit traditionellen Webmethoden in Textilien integriert werden können.
6. Ultradünne Stromableiter für leichte Geräte
   Bestehende Batterien verwenden Metallfolien-Stromableiter (Kupfer, Aluminium oder Nickel) mit 20–80 Mikrometer Dicke, um den Elektronenfluss zwischen Elektroden und externen Schaltkreisen zu ermöglichen. Da diese Metalle keine Ladung speichern, verringern sie die Gesamte Energiedichte der Batterie. Zudem leiden sie unter Korrosion, was den inneren Widerstand der Zelle und die Batterielebensdauer negativ beeinflusst.
   Graphen hingegen ist ein besserer alternativer Stromableiter. Es hat hohe elektrische Leitfähigkeit, niedrige Dichte und kann unter extremen Betriebsbedingungen stabil arbeiten. Graphen lässt sich leicht in Filme mit Rippeln und Falten auf der Oberfläche verwandeln, was zu besserem elektrischem Kontakt mit aktiven Materialien führt (dies verringert den Zellwiderstand weiter).
7. Transparente Batterien und Superkondensatoren
   Dank seiner hohen Leitfähigkeit und guten Transparenz (bis zu 97,7 % Transmission) kann Graphen eine bedeutende Rolle bei der Effizienzsteigerung transparenter Batterien spielen. Es kann als Elektrodenmaterial nicht nur für die Entwicklung transparenter Energiespeichergeräte, sondern auch für Smart Windows, Solarzellen und verschiedene optoelektronische Geräte eingesetzt werden.
8. Länger haltende Batterien
   Heutige Lithium-Ionen-Batterien verwenden Graphitanoden. Ihre Energiedichte kann durch Ersetzen von Graphit durch Graphen erhöht werden.
   Graphen-Elektroden in Form von gefaltetem Graphenpapier, porösen Graphenfilmen und solvatisierten Graphengerüsten bieten dreimal mehr Kapazität als herkömmliche Graphitelektroden und versprechen größere Reichweiten für Elektrofahrzeuge und längere Laufzeiten für Handgeräte.
   Kapazität und Leistungsdichte können durch Dotierung von Graphen-Anoden mit Stickstoff und Bor weiter verbessert werden.
9. Graphenoxid als fester Elektrolyt und Separator
   Graphenoxid ist ein guter elektronischer Isolator. Es kann gleichzeitig als fester Elektrolyt und Elektrodentrenner dienen. Einige Studien zeigen, dass ein Graphenoxid-Film, der als fester Elektrolyt fungiert, hohe Kapazität aufweist, aber mit nicht nachweisbarer ionischer Diffusion ähnlich wie Dielektrikum-Kondensatoren.
   Diese Beobachtungen könnten Forschern helfen, ultraschnelle, leichte, energiedichte Kondensatoren zu entwickeln, die nicht unter Ionen-Diffusion leiden, die oft für Elektrolytleckagen verantwortlich ist.
10. Superkondensatoren mit der Energiedichte von Batterien
    Superkondensatoren aus [porösen und dichten] Graphenschäumen weisen ultrahohe Energiedichten auf, die mit Blei-Säure-Batterien vergleichbar sind. Diese Graphenschäume entstehen durch das Einbringen winziger Löcher in die Basisebenen des Graphens und anschließendes Komprimieren mit fortschrittlicher Hydraulik.
    Der Hauptvorteil von Graphen-Superkondensatoren gegenüber herkömmlichen ist, dass sie mit wässrigen Elektrolyten arbeiten und ohne anspruchsvolle „Trockenraum“-Montage hergestellt werden können.
11. Halbpermeable Graphenoxid-Membranen
    Graphenoxid-Membranen zeigen verschiedene einzigartige Barriere-Eigenschaften. Im trockenen Zustand sind sie für alles undurchlässig, außer Wasserdampf. In Wasser verhalten sie sich als Molekularsiebe, blockieren große Ionen und erleichtern den Transport kleinerer.
    Diese Eigenschaften könnten zur Entwicklung neuer Generationen ionenselektiver Membranen für Superkondensatoren, Batterien und Brennstoffzellen führen.
12. Binder- und additivfreie Elektroden
    Binder und Additive machen zusammen bis zu 40 % der Elektrodenmasse aus. Dies wird als „tote Masse“ bezeichnet, da sie keine Ladung speichert und somit die Gesamte Energiedichte verringert.
    Da Graphen jedoch in selbsttragende 2D- und 3D-Strukturen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zusammengesetzt werden kann, ist es möglich, Graphen direkt in Elektroden zu integrieren, ohne Binder und leitende Additive hinzuzufügen.

Weiterlesen: Festkörperbatterie [Einfacher Überblick]

Aktuelle Studien

Im vergangenen Jahrzehnt haben sich Wissenschaftler darauf konzentriert, die umfassende elektrochemische Leistung und Zuverlässigkeit bestehender Batterien zu verbessern. Sie haben viele verschiedene Versionen von Batterien mit Graphen-Verbundstoffen entwickelt und getestet.

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

Forscher haben ein optimiertes reduziertes Graphenoxid/Silizium-Komposit mittels einer einfachen templatierten Selbstassemblierungsmethode hergestellt. Graphen unterstützt Silizium-Nanopartikel gleichmäßig und bildet ein dreidimensionales Netzwerk (durch verstärkte intermolekulare Wechselwirkung und erhöhte spezifische Oberfläche).

Die synthetische Strategie des optimierten RGO/Si-Komposits | Quelle: ACS Publications

Es kann als stabile Festkörper-Elektrolyt-Interphasen-Schicht dienen, die sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die strukturelle Stabilität erhöht.

Graphen-basierte Pouch-Zellen

Eine Graphen-basierte quasi-festkörperbasierte Lithium-Sauerstoff-Batterie liefert gravimetrische und volumetrische Energiedichten, die höher sind als die bestehender Lithium-Ionen-Polymer-Batterien. Sie besteht aus einer 3D-porösen Graphen-Kathode, einer porösen Graphen/Li-Anode und einem redox-vermittlungsmodifizierten Gelelektrolytpolymer.

Schematische Illustration Graphen-basierter Li-O2-Batterie | Quelle: Nature

Diese Studie eröffnet einen neuen Weg für die Entwicklung sicherer und stabiler Lithium-Sauerstoff-Batterien mit stabilem Zyklieren bei großer Kapazität und niedrigem Lade-Überpotenzial.

Graphen-Laminatfilme für kapazitive Energiespeicherung

2020 entwarf ein Forscherteam eine freistehende Graphen-Laminatfilm-Elektrode mit hocheffizienter Porennutzung. Die Porosität lässt sich leicht durch Anpassen des Schichtabstands des Films konfigurieren. Da Poren optimal genutzt werden, wird die volumetrische Kapazität maximiert.

Flexibler Graphen-Superkondensator speichert 10x mehr Energie als herkömmliche | Quelle: University College London

Diese Art von Superkondensatoren behält nach 5.000 Zyklen 97,8 % ihrer Energiekapazität. Sie sind auch sehr flexibel: Sie verhalten sich fast gleich, wenn sie um 180 Grad gebogen werden, wie im flachen Zustand.

Laser-induzierte Graphen-basierte Elektrode

Wissenschaftler haben einen flexiblen Mikro-Superkondensator durch einen einzelnen Puls Laser-Photonenreduktions-Stempel gefertigt. Mit dieser Methode können 1.000 räumlich geformte Laser pro Sekunde erzeugt werden, und über 30.000 Mikro-Superkondensatoren können innerhalb von 10 Minuten produziert werden.

Mehr als 30.000 MSCs werden auf einem Quadratzentimeter gefertigt | Quelle: Beijing Institute of Technology

Diese laser-induzierte Graphen-basierte Elektrode zeigt eine herausragende spezifische Kapazität, eine ultra-kurze Zeitkonstante, eine ultra-hohe Energiedichte und eine langfristige Zyklenfestigkeit.

Markt

Die Graphen-Forschung wird im nächsten Jahrzehnt weiter expandieren mit dem Versprechen, das menschliche Leben zu verbessern. 2019 wurde der globale Graphen-Batteriemarkt auf 49 Millionen Dollar geschätzt und soll bis 2027 etwa 399 Millionen Dollar erreichen, was einer CAGR (Compound Annual Growth Rate) von über 31 % im Prognosezeitraum entspricht.

Das Marktwachstum wird durch den Einsatz von Graphen-Batterien in Elektrofahrzeugen, tragbaren Elektronikgeräten und dem Anstieg der Nutzung unkonventioneller Energiequellen angetrieben. Das Automobilsegment wird voraussichtlich die höchste Wachstumsrate aufweisen aufgrund der steigenden Nachfrage nach Elektroautos aus Umweltgründen.

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Basierend auf der Region wird der asiatisch-pazifische Raum voraussichtlich den größten Anteil an der Graphen-Batterieindustrie haben. Die Schlüsselländer, die zur gesteigerten Nachfrage beitragen, sind China, Japan und Südkorea. Europa wird wahrscheinlich den zweitgrößten Anteil am globalen Graphen-Batteriemarkt haben.