Graphen-Akku fürs Handy - die Revolution der Batterietechnik?

Graphen (gesprochen mit „f“ und langem „e“) soll in naher Zukunft die bislang präferierte Lithium-Ionen-Technologie ablösen. Das Hightech-Material bietet viele Vorteile für Handyakkus und weist nahezu keine Schwächen auf. Alles zu Graphen-Akkus beim Handy und zum aktuellen Stand der Technik verrät Ihnen EDEKA smart.

Graphen-Akku: Was ist das überhaupt?

Graphen-Akkus fürs Smartphone sollen als fortschrittlichere Alternative die Lithium-Ionen-Akkus ersetzen beziehungsweise ergänzen. Sie sollen vor allem besser, schneller, kompakter und leichter sein. Doch wie kann das überhaupt funktionieren? Achtung – für den Aufbau eines (Graphen-)Akkus machen wir einen kleinen Exkurs in die Physik:

 Ein Akku besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. Die Anode ist der negative Pol des Akkus und besteht aus einem Material, das Elektronen abgeben kann. Während des Ladevorgangs wird eine elektrische Spannung an den Akku angelegt, die bewirkt, dass sich Lithiumionen von der Kathode lösen und zur Anode wandern. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die durch einen äußeren Stromkreis fließen können und dabei elektrische Energie abgeben – es fließt Strom. Für die Anode in einem Graphen-Akku wird nun aber nicht wie in herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus das Material Graphit verwendet, das uns hauptsächlich von Bleistiften bekannt ist, sondern die Anode besteht in diesem Fall aus mehrschichtigem Graphen.

Bei Graphen handelt es sich um einen auf Kohlenstoff basierenden, modifizierten Werkstoff, der dem Material Graphit stark ähnelt, das uns hauptsächlich von Bleistiften bekannt ist. Im Gegensatz zu anderen Materialien ist Graphen zweidimensional und besteht nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff. Diese zweidimensionale Struktur ist für das Material charakteristisch und in der Batterietechnologie bislang einzigartig. Entdeckt wurde Graphen von den Physikern Konstantin Novoselov und Andre Geim mit ihrem Team im Jahre 2004. Sechs Jahre später erhielten Novoselov und Geim hierfür den Nobelpreis für Physik.

Doch was bedeutet das Material nun für die Technologie der Handyakkus?

Wo liegt der Unterschied zwischen dem Graphen-Akku beim Handy und herkömmlichen Technologien?

Letztendlich funktionieren Graphen-Batterien auf dieselbe Art wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, auch der Aufbau des Graphen-Akkus ist grundsätzlich der gleiche. Der wesentliche Unterschied in den Technologien liegt in der Zusammensetzung, also der Struktur der Elektroden begründet. Das Material der Elektroden wird in Graphen-Akkus fürs Smartphone, wie der Name schon sagt, mit Graphen angereichert. Diese Veränderung bringt für die Verwendung von Akkus einige wesentliche Vorteile und nahezu keine Nachteile mit sich. Im Folgenden haben wir Ihnen die Unterschiede noch einmal übersichtlich zusammengefasst:

• grundsätzlich gleiche Funktionsweise der Batterie
• Veränderte Struktur der Elektroden
• Anreicherung der Elektroden mit Graphen

Die Vor- und Nachteile von Graphen-Akkus beim Smartphone

Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie aus, sind jedoch sehr anfällig sowohl gegenüber Tiefentladung als auch Überladung. Graphen-Akkus fürs Handy bieten hingegen eine große Bandbreite an Vorteilen, die gerade für Handy besonders relevant sind. Nachstehend finden Sie eine Übersicht über die wichtigsten Vor- und Nachteile von Graphen-Akkus.

Vorteile von Graphen-Akkus

• Schnellere Ladezeiten
• Äußerst kompakt und leicht
• Weitaus höhere Lebensdauer als Li-Akkus
• Hervorragende elektrische Leitfähigkeit
• Umweltfreundliches Recycling

Nachteile von Graphen-Akkus

• Geringere Energiedichte als Li-Akkus
• Noch in der Entwicklungsphase
• Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierung

Graphen-Akkus im Smartphone sind schnell aufgeladen

Der Einsatz von Graphen in Akkus in Smartphones erscheint aus verschiedenen Gründen attraktiv. Zum einen wäre hier die Tatsache anzuführen, dass Graphen-Akkus deutlich umweltfreundlicher recyclen lassen als Lithium-Ionen-Batterien. Zum anderen lässt sich die hervorragende elektrische Leitfähigkeit des Stoffes nennen. Diese ist etwa eineinhalbmal so hoch wie die von Kupfer, und so kann der Energiespeicher unglaublich schnell aufgeladen werden. Zudem sind die Kohlenstoffgitter auch in der Lage, die Energie bei Bedarf in sehr kurzer Zeit abzugeben. In herkömmlichen Akkus laufen die für Speicherung und Entladung verantwortlichen chemischen Reaktionen hingegen deutlich langsamer ab.

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Graphen-Akkus im Handy sind leicht und kompakt

Ein weiterer Vorteil von Graphen-Akkus im Handy ist die äußerst kompakte und leichte Bauweise. Das liegt an ihrem sehr niedrigen spezifischen Gewicht und der Struktur des Materials. Diese verleiht dem Material eine große Festigkeit bei geringer Masse, und so lassen sich die Akkus kompakt konstruieren.

Warum sind Graphen-Akkus so viel langlebiger?

Des Weiteren ist erwähnenswert, dass es sich bei Graphen-Akkus um sogenannte Festkörperbatterien handelt. In Lithium-Ionen-Akkus können sich durch die wiederholte Auf- und Entladung Kristalle im Elektrolyt bilden, die dann zu einem Kurzschluss führen. Dies hat nicht nur den unvermeidlichen Ausfall des Energiespeichers nach durchschnittlich 10 bis 15 Jahren (je nach Häufigkeit der Ladezyklen) zur Folge, im schlimmsten Fall kann auch eine Brandgefahr von der Batterie ausgehen.

Festkörperakkus weisen dieses Problem hingegen nicht auf. Sie sind chemisch stabiler und besitzen daher eine weitaus höhere Lebensdauer. Nicht zuletzt ist Graphen recht günstig, sodass die Preise vieler elektronischer Geräte, E-Autos und weiterer Technik in Zukunft sinken könnten.

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Geringere Energiedichte – ein echter Nachteil?

Es gibt allerdings auch einige wenige Gründe, warum sich Graphen in Batteriesystemen bislang nur teilweise durchsetzen konnte. Der wohl prägnanteste ist die im Vergleich zur Lithium-Ionen-Technologie geringere Energiedichte. Während diese bei Li-Ion-Akkus bei etwa 160 Wattstunden pro Liter liegt, erreichen Graphen-Akkus nicht einmal ganz 90 Wh/l. Um hohe Kapazitäten zu erreichen, müssen die Akkus also größer konzipiert werden. Aufgrund ihres geringen Gewichtes und der Möglichkeit eines kompakten Aufbaus stellt dies allerdings kein großes Problem dar.

Abschließend lässt sich sagen, dass Graphen-Akkus im Smartphone eine innovative Lösung für die Akkusysteme der Zukunft sein könnten. Jedoch ist diese Lösung noch immer in der Entwicklungsphase, weshalb sich aktuell auch noch Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierung ergeben. Außerdem handelt es sich hierbei nur um eine von mehreren Technologien, an denen zurzeit geforscht wird. Neben Graphen-Akkus für das Handy befinden sich auch weitere, neuartige Batterien in der Erprobung, wie zum Beispiel Glas-Akkus, Lithiumtitanat-Akkus oder der Einsatz von Silizium anstelle von Graphit in bestehenden Systemen, um nur einige zu nennen. Welches Konzept sich letzten Endes auch im großen Stil durchsetzen wird, bleibt weiterhin abzuwarten