Graphen zur Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien

Falls es gelingt die Skalierbarkeit von Graphen weiter zu optimieren, ist Graphen wegen seiner einzigartigen elektronischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften ein vielversprechendes Material für die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Graphen verbessert die Leistungsfähigkeit von Batterien deutlich. Dennoch bleiben die Skalierbarkeit und die Produktionskosten weiterhin Hürden bei der Entwicklung. Wie die künftige Kommerzialisierung von Graphen in der Batterietechnologie aussehen könnte, verdeutlicht eine Publikation auf Basis der vom Fraunhofer-Institut ausgearbeiteten Technologie-Roadmaps.

Graphen als vielversprechendes Material der Batterieindustrie

Graphen ist eine dünne, zwei-dimensionale Kohlenstoffschicht, die aus einer Lage, hexagonal miteinander verbundener Atome besteht. Ferner hat Graphen vor allem eine gute elektrische Leitfähigkeit und besitzt ein sehr elastisches Material, das robust und leicht ist.

Graphen macht Batterien nachhaltiger und leistungsfähiger, denn laut Forschungsergebnissen ermöglicht das Material als Zusatzstoff in Silizium-Kohlenstoff-Kompositionen eine bis zu 30% höhere Energiedichte. Darüber hinaus könnte es auch Vorteile für die Schnellladefähigkeit bieten und Ladezeiten reduzieren. Zudem könnte man auch durch die Verwendung von Graphen in Siliziumanoden die Stabilität und demnach die Lebensdauer und Nachhaltigkeit von Batterien verbessern. Jedoch ist die Stabilität von Siliziumanoden momentan noch nicht ausreichend und nicht vergleichbar mit üblichen Graphitanoden.

Hürden für Graphen-Batterien

Obschon Graphen vielversprechend für die Batterieentwicklung ist, so fehlen aktuell noch kosteneffiziente Produktionsverfahren für eine Marktanwendung. Außerdem sind die Preise für Graphen und verwandte Materialien sind bislang hoch. Gleichzeitig wird die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien immer besser, die Anzahl an E-Autos steigt und der Aufbau von Batteriefertigungsanlagen geht voran.

Dies wiederum soll die Chancen zur Einführung neuer Materialien wie Graphen, insbesondere bei leistungsoptimierten Anwendungen, erhöhen, wie die Forscher erklären. Laut den Forschenden verbessert dies die Aussichten für den Einsatz von Graphen in leistungsoptimierten Anwendungen. Forschende betonen, dass

„ein kontinuierliches Interesse an Graphen-basierten Lösungen in der Batteriebranche“ beobachtbar sei. Dennoch sehe man aber auch, „dass Lithium-Ionen-Batterien effizienter und in puncto Kosten und Performance stetig optimiert werden.“

Allerdings ist es für den Einsatz von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien entscheidend, wie schnell sich Graphen-basierte Batteriekomponenten in industrielle Produktionsprozesse integrieren lassen und ob man eine stabile und bedarfsgerechte Lieferkette aufbauen kann.

„Dafür braucht es koordinierte Strategien, um den wissenschaftlich belegten Nutzen auch industriell nutzbar zu machen.“

Neuartige Methoden zur Herstellung von Graphen

Die Herstellung von einlagigem Graphen ist der Schlüssel für seine breite Anwendung, birgt aber technische Herausforderungen. Eine der grundlegendsten Methoden ist die mechanische Exfoliation, die jedoch für eine industrielle Skalierung ungeeignet ist. Vielversprechender für größere Mengen ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Obwohl CVD prinzipiell skalierbar und kosteneffizient sein kann, erfordert sie hohe Prozesstemperaturen und stellt durch die komplexe Übertragung des Graphens auf andere Substrate eine Hürde dar. Diese Herausforderungen treiben zahlreiche Start-ups und etablierte Unternehmen an, neue Wege in der Graphen-Produktion zu beschreiten. Dabei verfolgen sie oft unterschiedliche Strategien:

• Massenproduktion für geringere Reinheit: Einige konzentrieren sich auf die Entwicklung von kostengünstigen und großflächigen Methoden für die Herstellung von Graphen, das zwar weniger rein ist, aber für viele Anwendungen ausreicht.

• Hochreines Graphen für Nischenanwendungen: Andere zielen auf die Produktion von hochreinem Graphen für spezielle Anwendungen ab, bei denen die überlegene Leistung einen potenziell höheren Preis rechtfertigt.

Hat Graphen trotz Hürden Chancen auf Marktdurchdringung?

Trotz aller Hürden sind Forschende überzeugt, dass eine künftige Marktdurchdringung von Graphen in der Batterietechnologie möglich ist. Ein besonders vielversprechendes Einsatzgebiet sehen die Forschenden in der Herstellung von Silizium-Graphen-Kompositen für Spezialbatterien. Diese Kombination bietet technologische Vorteile, die beispielsweise die Leistung von Silizium-Anoden deutlich steigern können. Zudem wird Graphen auch als potenzieller Bestandteil für Lithium-Schwefel-Batterien erforscht, welche langfristig eine echte Alternative zu den etablierten Lithium-Ionen-Akkus darstellen könnten.

Wie sich die weitere Entwicklung gestaltet, ist abhängig von der Forschung und industriellen Kooperationen. Vorerst solle man aber die Marktreife und die Kommerzialisierung vorantreiben sowie die Leistungsfähigkeit von Graphen kontinuierlich evaluieren. Für die Marktdurchdringung ist außerdem eine enge Kooperation zwischen Materialherstellern, Batterieproduzenten, der Automobilindustrie und der Forschung notwendig.

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