Innovationspotenzial von Graphen bei Lithium-Ionen-Akkus

Das Material Graphen hat aufgrund seiner einzigartigen elektronischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften viel Potenzial. Es kann die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) enorm verbessern. Obschon aus technologischer Perspektive große Fortschritte erzielt werden konnten, bestehen für den großflächigen Einsatz von Graphen-basierten Batteriekomponenten Hürden. Die aktuell veröffentliche Publikation „Graphene Roadmap Briefs (No. 4): innovation prospects for Li-ion batteries“ benennt die Fortschritte und Herausforderungen in der Entwicklung und Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Batterien mit Graphen-Komponenten. Dabei liegt der Fokus auf Graphen-basierten Silizium-Anoden.

Graphen verbessert Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit

Gemäß den Erkenntnissen hat Graphen als Zusatzstoff in Silizium-Kohlenstoff-Kompositen eine bis zu 30 Prozent höhere Energiedichte. Ferner bietet das Material auch Vorteile für die Schnellladefähigkeit und verringert die Ladezeiten. Außerdem kann die Einarbeitung von Graphen in Siliziumanoden die Stabilität, die Lebensdauer und Nachhaltigkeit von Batterien optimieren. Jedoch ist die Stabilität von Siliziumanoden nicht vergleichbar mit herkömmlichen Graphitanoden.

Zeitgleich fehlt es an kosteneffizienten Herstellungsverfahren für eine Marktanwendung von Graphen-basierten Batterien und die Preise von Graphen sind sehr hoch. Parallel dazu verbessert sich die Performance von Lithium-Ionen-Batterien fortwährend, der Anteil an EVs wächst und der Aufbau von Zellfertigungsanlagen wächst. Diese Faktoren erhöhen die Chancen zur Einführung neuer Materialien, vor allem bei leistungsoptimierten Anwendungen.

Steigendes Interesse für Graphen-basierte Lösungen

Das Interesse an Graphen-basierten Batterielösungen nimmt stetig zu, während Lithium-Ionen-Batterien weiterhin effizienter und kostengünstiger werden. Entscheidend ist, ob Graphen-Komponenten zügig in die industrielle Produktion integriert und stabile Lieferketten aufgebaut werden können. Maximilian Stephan, Erstautor der Publikation, betont zudem:

„Wir beobachten ein kontinuierliches Interesse an Graphen-basierten Lösungen in der Batteriebranche, sehen aber auch, dass Lithium-Ionen-Batterien effizienter und in punkto Kosten und Performance stetig optimiert werden. Entscheidend für den Einsatz von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien ist, wie schnell sich Graphen-basierte Batteriekomponenten in industrielle Produktionsprozesse integrieren lassen […].“

Es gibt zahlreiche Start-ups und Unternehmen, die innovative Ansätze zur Graphen-Produktion entwickeln, aber unterschiedliche Strategien verfolgen. Einige setzen auf die Entwicklung kostengünstiger und großflächiger Produktionsmethoden für weniger reines Graphen. Andere Unternehmen setzen hingegen auf die Verwendung von reinem Graphen für spezifische Anwendungen.

Weltweiter Markt für Graphen im Jahr 2022

Das Fraunhofer Institut untersuchte letztes Jahr den Markt für Graphen im Batteriesektor auf Basis von Daten aus dem Jahr 2022. Damals wurden im weltweiten Markt für Graphen rund 100 Millionen Dollar im Jahr umgesetzt. Dabei lag die zu erwartende durchschnittliche Wachstumsrate zwischen 20 Prozent und 30 Prozent. Insgesamt betrug der Umsatz mit Graphen weltweit im Jahr 2022 380 Millionen Dollar. Die Prognosespanne lag jedoch zwischen 50 Millionen Dollar und 1,1 Milliarden Dollar.

Herausforderungen und Möglichkeiten der künftigen Graphen-Nutzung

Obschon es viele Herausforderungen und Hürden bei der Marktdurchdringung von Graphen in der Batterietechnologie gibt, schätzen Forscher das Vorhaben als realisierbar ein. Silizium-Graphen-Komposite bieten vielversprechende technologische Vorteile, insbesondere für die Verbesserung von Silizium-Anoden. Zudem wird Graphen für Lithium-Schwefel-Batterien erforscht, die langfristig eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sein könnten. Die Forschung und industriellen Kooperationen bestimmen, wie es mit der Entwicklung der Technologie weitergehen wird.

Vorerst müsse man sich auf die Marktreife und die Kommerzialisierung konzentrieren und die Leistungsfähigkeit von Graphen weiter bewerten. Um die Marktdurchdringung voranzutreiben, ist eine enge Kooperation zwischen Materialherstellern, Batterieproduzenten, der Automobilindustrie sowie der Forschung essenziell. Graphen bleibt ein vielversprechendes Material für die Batterieindustrie. Verbesserte Skalierbarkeit und Forschung könnten den Markteintritt erleichtern.

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