Graphen-Akku: Batterien aus dem Material der Zukunft

Graphen-Akku: Was ist das überhaupt?

Die meisten Akkus in elektronischen Geräten wie unseren Smartphones und Laptops, aber auch in Elektroautos basieren derzeit auf der Lithium-Ionen-Technologie. Die elektrochemische Zelle besteht in der Regel aus zwei Elektroden in einem Elektrolyten, getrennt durch einen Separator. Beim Entladen wandern Elektronen im äußeren Stromkreis von Minus- zu Pluspol – es fließt Strom. Zugleich werden im Inneren des Akkus positive Lithium-Ionen vom Pluspol angezogen. Beim Aufladen erzwingt das Ladegerät eine Umkehr dieser Prozesse, damit sie beim nächsten Entladen wieder von vorn beginnen können. Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe spezifische Energie aus, sind jedoch sehr anfällig sowohl gegenüber Tiefentladung als auch Überladung.

Graphen-Akkus sollen nun als fortschrittlichere Alternative die Lithium-Ionen-Akkus ersetzen beziehungsweise ergänzen. Bei Graphen handelt es sich um einen auf Kohlenstoff basierenden, modifizierten Werkstoff. Die einzelnen Kohlenstoffatome sind darin in einem hexagonalen, mit Bienenwaben vergleichbaren Muster angeordnet. Charakteristisch für den Stoff ist seine einlagige, also zweidimensionale Struktur, die sich deutlich von herkömmlichem, vergleichsweise minderwertigem Graphit unterscheidet, wie es zum Beispiel in Bleistiftminen Verwendung findet. Aufgrund seiner Eigenschaften bietet Graphen viele Vorteile für den Einsatz als Energiespeicher.

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.

Die Vor- und Nachteile von Graphen-Akkus

Vorteile:

• Hervorragende elektrische Leitfähigkeit
• Äußerst kompakt und leicht
• Weitaus höhere Lebensdauer als Li-Akkus

Nachteile:

• Geringere Energiedichte als Li-Akkus

Schnelles Aufladen

Der Einsatz von Graphen in Akkus erscheint aus verschiedenen Gründen attraktiv. Zum einen wäre hier die hervorragende elektrische Leitfähigkeit des Stoffes anzuführen. Diese ist etwa eineinhalbmal so hoch wie die von Kupfer, und so lässt sich der Energiespeicher unglaublich schnell aufladen. 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.

Graphen-Akkus sind leicht und kompakt

Ein weiterer Vorteil von Graphen-Akkus 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, so dass die Preise vieler elektronischer Geräten, E-Autos und weiterer Technik in Zukunft sinken könnten.

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 eine innovative Lösung für die Akkusysteme der Zukunft sein könnten. Jedoch handelt es sich hierbei nur um eine von mehreren Technologien, an denen zurzeit geforscht wird. Neben Graphen-Akkus 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 durchsetzen wird, bleibt abzuwarten.