Graphen-Batterien und -Technologie vollständig erklärt

Batteriematerialien, die vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des Energieministeriums und von Vorbeck Materials Corp. aus Jessup, Maryland, entwickelt wurden, ermöglichen das Aufladen von Elektrowerkzeugen und anderen Geräten, die Lithium-Ionen-Batterien verwendenin nur wenigen Minuten statt Stunden. 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 (der Worx, Rockwell und Kress herstellt), bereits einige Graphen-Batterietechnologien in ausgewählten tragbaren Elektrowerkzeugen.

Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen. Diese Atome sind in einem organisierten sechseckigen Muster angeordnet. Graphen ist ein nahezu „zweidimensionales“ Material mit einigen einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die ihm mehrere Vorteile verleihen. Dazu gehören eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hervorragende mechanische Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Tatsächlich leitet Graphen Strom 100-mal effektiver als Kupfer! Außerdem leitet es Elektronen bis zu 140-mal schneller weiter als Silizium. Deshalb ist Graphenmaterial so wichtig für die Entdeckung, wie man Batterien schneller auflädt.

Hersteller (und Wissenschaftler) halten Graphen für ein vielversprechendes Material für ein breites Anwendungsspektrum. Basierend auf der Forschung und der Art und Weise, wie wir es heute nutzen, könnte es eine sehr wichtige Rolle in der Elektronik, Energiespeicherung und Verbundwerkstoffen spielen. Angesichts der einzigartigen Eigenschaften von Graphen hat es tatsächlich das Potenzial, die Energiespeicherung und die Leistungsdichte der besten Elektrowerkzeuge zu revolutionieren.

Die Erfindung von Graphenbatterien begann mit der Entdeckung, wie man Graphen in einatomiger Form gewinnen kann. Dies wird normalerweise einem Forscherteam der Universität Manchester, Großbritannien, zugeschrieben. Das Team unter der Leitung des Nobelpreisträgers Sir Andre Geim und des russisch-britischen Physikers Konstantin Novoselov entdeckte 2004 einige interessante Eigenschaften von Graphen.

Während eines der wöchentlichen „Freitagabend-Experimente“ von Andre und Kostya entfernten die beiden Wissenschaftler mit Klebeband einige Flocken von einem Klumpen Graphit. Als sie bemerkten, dass einige Flocken dünner waren als andere, experimentierten sie weiter. Durch wiederholtes Trennen der Graphitfragmente entstanden schließlich Flocken mit einer Dicke von nur einem Atom! Dieses Experiment führte zur ersten Isolierung von Graphen.

Vorbeck Materials Corp. arbeitete mit Ilhan Aksay, Professor für Chemie- und Biotechnik an der Princeton University, zusammen. Das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat gezeigt, dass kleine Mengen Graphen – eine ultradünne Schicht aus Kohlenstoffatomen – die Leistung und Zyklenstabilität von Lithium-Ionen-Batterien dramatisch verbessern können. Darüber hinaus gelingt dies unter Beibehaltung einer hohen Energiespeicherkapazität.

Im Jahr 2016 stellte das in Peking ansässige Unternehmen Dongxu Optoelectronic Technology seine 4800-mAh-G-King-Batterie vor. Dieser Akku im Laptop-Stil wurde in weniger als 15 Minuten aufgeladen und unterstützt bis zu 3500 Zyklen.

Im Jahr 2017 kündigte das Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) seinen „Graphenball“ an. Dieses einzigartige Batteriematerial zeigte eine um 45 % höhere Speicherkapazität bei gleichzeitiger Ladegeschwindigkeit, die bis zu fünfmal so hoch ist wie die einer Standard-Lithium-Ionen-Batterie.

Die neue Technologie verspricht enorme Vorteile sowohl für mobile Geräte als auch für Elektrofahrzeuge. Der Markt für Elektrofahrzeuge macht durchaus Sinn, wenn man bedenkt, dass die Graphenkugel eine stabile Temperatur von 60 Grad Celsius halten kann.

Samsung war Vorreiter bei der Synthese von Graphen in eine 3D-Form und der anschließenden Anwendung auf Batterien. Dies geschah mit erschwinglichem Siliziumdioxid (SiO2). Sie brachten diese „Graphenkugel“ sowohl auf die Anodenschutzschicht als auch auf Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien an.

Die Leistungsdichte von Standard-Lithium-Ionen-Batterien nimmt weiter zu, bei der Verkürzung der Ladezeit haben sie jedoch keine gewaltigen Fortschritte gemacht. Graphen-Batterien bieten gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zwei große Vorteile:

Die Funktionsweise ist einfach – zumindest in der Theorie. Der Einsatz graphenbasierter Batterien ist eine völlig neue Richtung. Dadurch werden Batteriezellen schneller aufgeladen. Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch die Übertragung von Lithiumionen zwischen einer Kathode und einer Anode mithilfe eines flüssigen Elektrolyten. Das nimmt vor allem während der Aufladephase eine gewisse Zeit in Anspruch.

Durch die Verbesserung der Kathoden durch die Beschichtung mit Graphen können jedoch mehr Ionen übertragen werden. Dadurch erhöht sich auch die Übertragungsgeschwindigkeit.

Darüber hinaus planen die Forscher, die Nanotechnologie auf andere Weise zu nutzen. Die nanotechnologischen Eigenschaften von Graphen helfen bei der Herstellung wiederverwendbarer Anoden auf Siliziumbasis. Diese verbessern die Gesamtspeicherfähigkeit einer Batterie. Die Graphenbatteriegleichung sieht wie folgt aus:

Mehr Speicher + schnelleres Aufladen + kühlere, stabile Betriebstemperaturen

Angesichts der Tatsache, dass die Beschichtung von Anoden und Kathoden mit nanometergroßen Graphenschichten oder -kugeln zu einem schnelleren Laden, einer höheren Leistungsdichte und einem besseren Wärmemanagement führt, sind die Vorteile für Elektrowerkzeuge zahlreich. Der Akku Ihres leistungsstarken Akku-Bohrschraubers oder Ihrer Kreissäge kann in nur wenigen Minuten statt in einer Stunde aufgeladen werden. Es könnte möglicherweise auch fünfmal so lange laufen.

Mit schnellen Ladezeiten gehen auch schnelle Entladezeiten einher. Das bedeutet, dass Sie schneller mehr Leistung aus einer Graphenbatterie herausholen können. Dadurch besteht das Potenzial, noch leistungsstärkere kabelgebundene Werkzeuge und Geräte schneller auf eine Batterieplattform zu bringen. Die Stromversorgung stellt kein so großes Problem mehr dar.

Darüber hinaus konnten Sie eine solche Verbesserung der Ladezeiten feststellen, dass sich der Begriff der „ganztägigen Laufzeit“ auf immer größere Werkzeuge ausweitet. Die Milwaukee MX FUEL-Ausrüstung ist ein hervorragendes Beispiel für dieses Potenzial. Durch ausreichend schnelles Aufladen der Akkus können auch größere Werkzeuge einen Akku betreiben, während ein anderer aufgeladen wird. Sofern die Ladezeit unter der erwarteten realen Laufzeit liegt, erreichen Sie als Ergebnis eine ganztägige Nutzung.

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Forscher sind von den Fähigkeiten von Graphen als leitfähiger Verstärker sehr überzeugt. Tatsächlich behaupten sie, dass die Ladezeit von Mobiltelefonbatterien auf Graphenbasis, deren vollständiges Aufladen derzeit zwischen einer und fünf Stunden dauert, auf unter 10 Minuten verkürzt werden könnte!

Graphenbatterien sind bereits auf dem Markt. Elektrowerkzeuge der Marke CAT verfügen über eine Graphen-Batterietechnologie, mit der sie eine 5-Ah-Batterie in weniger als 20 Minuten aufladen können. Sie zeichnen sich außerdem durch eine viermal längere Lebensdauer im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus sowie kühlere Betriebstemperaturen aus. Andere werden sicherlich folgen, und einige haben möglicherweise bereits Batterien mit Graphen-Technologie auf den Markt gebracht, diese jedoch noch nicht als solche vermarktet.

Etwas sehr Interessantes, das wir an verschiedenen Orten auf den Markt bringen sehen, heißt Graphen-Superkondensatoren. Ein Unternehmen, Skeleton, hat bereits mehrere verschiedene Produkte auf dem Markt, darunter die SkelCap-Serie. Diese gebogenen Graphen-Superkondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte sowie einen geringen Innenwiderstand aus.

Wie Sie sich vorstellen können, bedeutet die bessere Energiedichte, dass diese Batterien genau in die Märkte für Elektrofahrzeuge, Schwertransporte und Industrie passen. In diesen Bereichen spielen sowohl Gewicht als auch Platz eine Schlüsselrolle für die Effizienz von Fahrzeugen.

Graphen-Superkondensatoren erzeugen außerdem weniger Wärme – selbst bei hoher Strombelastung. Diese Graphen-Superkondensatoren verfügen über ein gebogenes Design, das einen größeren Teil der Oberfläche dem elektrischen Strom aussetzt. Dies verringert den Widerstand und verbessert die Effizienz.

Schließlich behauptet Skeleton, dass seine Graphen-Superkondensatoren eine Anwendungslebensdauer von bis zu 15 Jahren oder mehr haben! Wenn wir uns Elektrofahrzeuge und schweres Gerät ansehen, beginnt eine Lebensdauer von 15 Jahren wirklich Sinn zu machen. Wir gehen davon aus, dass diese spezielle Technologie zuerst in Nutzfahrzeugen und einigen Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt.

Im Jahr 2016 gab das in China ansässige Unternehmen Huawei einen großen Durchbruch in seiner Li-Ionen-Batterieforschung bekannt. Auf dem 57. Batteriesymposium in Japan stellten sie die weltweit erste langlebige graphengestützte Li-Ionen-Batterie vor, die hohen Temperaturen standhält. Sie behaupteten damals eine Reduzierung um 5 Grad Celsius im Vergleich zu bereits auf dem Markt befindlichen Batterien.

Bei der Anwendung vor Ort verbesserten sich die tatsächlichen Umweltvorteile um bis zu 10 °C. Zu den Anwendungen gehören Gebiete, in denen es sowohl heißes Klima als auch häufige Stromausfälle gibt (wie Afrika). Auch EV-Anwendungen bleiben eine Möglichkeit.

Ab 2023 kommt diese Technologie in der Graphene Film Cooling Technology des Unternehmens zum Einsatz, die in Mobiltelefonen dazu dient, Wärme vom Akku abzuleiten. Auf diese Weise stützt sich Huawei weiterhin hauptsächlich auf die schnelle Wärmeleitfähigkeit von Graphen, anstatt es in seinen eigentlichen Batterien zu verwenden.

Aufgrund der aktuellen Blockade von Chips für das Unternehmen plant Huawei auch, Graphen in seinen Halbleitern und Transistoren zu verwenden, um neue Chiptechnologien zu entwickeln, die mit der traditionellen Siliziumtechnologie konkurrieren können. Die Verwendung von Graphen (über Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Chips) könnte möglicherweise auch die Kommunikation beschleunigen und die Kosten senken.

Strategic Elements arbeitet an einer neuen Batterietechnologie, die flüssige Tinte auf Basis von Graphenoxid verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Graphenoxid-Tinte auf Glas aufgetragen. Angeblich wäre es in der Lage, Energie aus der in der Luft oder der Haut vorhandenen Luftfeuchtigkeit zu gewinnen, um sich selbst aufzuladen – und das in nur wenigen Minuten. Strategic Elements arbeitet mit der University of New South Wales zusammen, um die Technologie zu testen und zu entwickeln. Sie würden die neue Graphenoxid-Batterietechnologie auf den vielfältigen Markt der IOT-Geräte ausrichten.

Eine Graphenoxid-Batterie mit dem Potenzial, sich aus der Luftfeuchtigkeit oder auf Ihrer Haut aufzuladen, klingt nach einem erstaunlichen Fortschritt für Uhren, E-Reader mit geringem Stromverbrauch und mehr. Stellen Sie sich vor, Sie brauchen weder manuelles Laden noch Kabel! Erfahren Sie hier mehr.

GMG entwickelt in Zusammenarbeit mit der University of Queensland Research und UniQuest eine Graphen-Aluminium-Ionen-Batterietechnologie. Die neue Formulierung zeichnet sich durch hohe Energie- und Leistungsdichten im Vergleich zur aktuellen Lithium-Ionen-Batterietechnologie aus. Es verspricht eine bis zu dreimal längere Akkulaufzeit und bis zu 70-mal schnellere Ladegeschwindigkeiten.

Seit Juni 2022 stellt GMG bereits Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien im Pouch-Zellen-Format her. GMG plant den Bau einer ersten kommerziellen Produktionsanlage für Knopfzellen-Graphen-Aluminium-Ionen-Batterien (G+AI), gefolgt von der Massenproduktion von Parallel-Pouchzellen-Batterien.

Um nicht zu übertreffen, plant die NASA die Entwicklung ihrer Festkörper-Graphenbatterie SABERS. SABERS steht für Solid-State Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety. Die NASA-SABERS-Batterie wird seit Jahren am Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, und am Langley Research Center in Hampton, Virginia, entwickelt und soll Anwendungen ermöglichen, die bisher für unmöglich gehalten wurden – wie beispielsweise batteriebetriebene Flüge.

Um eine Graphenbatterie (oder jede andere Batterie) für den Flug geeignet zu machen, sind mehrere Dinge erforderlich. Es muss über eine ausreichende Leistungsdichte verfügen – mehr Leistung auf weniger Raum. Auch der Akku muss möglichst wenig wiegen. Es muss sich schnell entladen lassen und sich an jede Anwendung anpassen lassen.

Es muss außerdem äußerst sicher sein, da es ein Fahrzeug antreiben muss, das Hunderte von Passagieren befördern kann. Das bedeutet die Eliminierung potenziell giftiger oder brennbarer Chemikalien. Berichten zufolge ist SABERS bisher auf dem besten Weg, eine überzeugende Lösung vorzustellen ... irgendwann.

Die Festkörper-Graphenbatterie von SABERS liefert derzeit 500 Wattstunden pro Kilogramm. Das entspricht etwa der doppelten Energiedichte selbst der besten Batterietechnologie, die in aktuellen Elektrofahrzeugen verwendet wird. Das regionale Flugziel liegt bei etwa 480 Wattstunden. Erfahren Sie hier mehr.

Was die Zukunft der Graphen-basierten Nanotechnologie angeht, bleibt es ein komplizierter und teurer Prozess. Durch weitere Forschung und Skaleneffekte dürfte die Laufzeit von Akku-Elektrowerkzeugen länger sein. Außerdem dürfte es den Herstellern ermöglichen, viel mehr Leistung in ein kleineres Paket zu packen. Dazwischen kühlere Betriebstemperaturen und schnelleres Laden – die Graphen-Batterietechnologie könnte innerhalb der nächsten 5–10 Jahre kabellose Werkzeuge, Elektrofahrzeuge und schwere Geräte revolutionieren.

Anstatt eine Richtung festzulegen, in die die Graphen-Batterietechnologie wahrscheinlich gehen wird, gehen wir davon aus, dass sie alle Bereiche erreichen wird. Dazu gehören Festkörper, der Einsatz in der Kühltechnik, gebogene Lösungen zur Beschleunigung des Ladevorgangs und die vollständige Integration in Anoden und Kathoden. Was einige der fortgeschritteneren Ankündigungen betrifft, die wir gesehen haben, stellen Sie sich die Möglichkeiten vor. Wenn Sie eine auf Graphen basierende Batterie mit der doppelten Leistungsdichte in ein Elektrofahrzeug einbauen, können Sie mit einer Ladung bis zu 1.000 Meilen zurücklegen! Sie würden außerdem die Möglichkeit erhalten, in der gleichen (oder kürzeren) Zeit wie aktuelle Fahrzeuge mit einer Reichweite von ca. 350 Meilen aufzuladen.

Es regt unsere Fantasie auf jeden Fall an!