Graphen, eine Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem Wabenmuster verbunden sind, wird aufgrund der zahlreichen erstaunlichen Eigenschaften, die es besitzt, als „Wundermaterial“ anerkannt. Es ist ein starker Leiter von elektrischer und thermischer Energie, extrem leicht, chemisch inert und flexibel mit einer großen Oberfläche. Darüber hinaus wird es als umweltfreundlich und nachhaltig betrachtet, mit unbegrenzten Möglichkeiten für zahlreiche Anwendungen.

Vorteile von Graphen-Batterien

Im Bereich der Batterien werden herkömmliche Batteriematerialien (und potenzielle Materialien) erheblich verbessert, wenn sie mit Graphen verstärkt werden. Eine Graphen-Batterie kann leicht, langlebig und für Energiespeicherung mit hoher Kapazität geeignet sein und auch Ladezeiten verkürzen. Sie wird die Lebensdauer der Batterie verlängern, was negativ mit der Menge an Kohlenstoff verbunden ist, die auf das Material aufgebracht oder zu Elektroden hinzugefügt wird, um Leitfähigkeit zu erreichen, und Graphen fügt Leitfähigkeit hinzu, ohne die in herkömmlichen Batterien verwendeten Kohlenstoffmengen.

Graphen und Batteriemerkmale

Graphen kann Batteriemerkmale wie Energiedichte und Form auf verschiedene Weise verbessern. Li-Ion-Batterien (und andere Arten wiederaufladbarer Batterien) können verbessert werden, indem Graphen in die Anode der Batterie eingeführt wird und von der Leitfähigkeit und den großen Oberflächeneigenschaften des Materials profitiert wird, um morphologische Optimierung und Leistung zu erreichen.

Es wurde auch entdeckt, dass die Herstellung von Hybridmaterialien ebenfalls nützlich sein kann, um Batterieverbesserung zu erreichen. Ein Hybrid aus Vanadiumoxid (VO2) und Graphen kann beispielsweise auf Li-Ion-Kathoden verwendet werden und schnelle Lade- und Entladevorgänge sowie große Ladezyklusbeständigkeit bieten. In diesem Fall bietet VO2 eine hohe Energiekapazität, aber eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, die durch die Verwendung von Graphen als eine Art strukturelles „Rückgrat“, an dem VO2 befestigt wird, gelöst werden kann - wodurch ein Hybridmaterial entsteht, das sowohl erhöhte Kapazität als auch ausgezeichnete Leitfähigkeit hat.

Ein weiteres Beispiel sind LFP (Lithium-Eisenphosphat) Batterien, eine Art wiederaufladbare Li-Ion-Batterie. Sie hat eine niedrigere Energiedichte als andere Li-Ion-Batterien, aber eine höhere Leistungsdichte (ein Indikator für die Geschwindigkeit, mit der Energie von der Batterie geliefert werden kann). Die Verbesserung von LFP-Kathoden mit Graphen machte die Batterien leicht, lädt viel schneller auf als Li-Ion-Batterien und hat eine größere Kapazität als herkömmliche LFP-Batterien.

Neben der Revolutionierung des Batteriemarktes könnte die kombinierte Nutzung von Graphen-Batterien und Graphen-Superkondensatoren erstaunliche Ergebnisse erzielen, wie das aufgezeichnete Konzept der Verbesserung der Reichweite und Effizienz von Elektrofahrzeugen. Obwohl Graphen-Batterien noch nicht allgemein kommerzialisiert sind, werden weltweit Batteriedurchbrüche gemeldet.

Grundlagen der Batterie

Batterien dienen als mobile Energiequelle, sodass elektrisch betriebene Geräte ohne direkten Anschluss an eine Steckdose betrieben werden können. Obwohl es viele Arten von Batterien gibt, bleibt das grundlegende Konzept, nach dem sie funktionieren, ähnlich: Eine oder mehrere elektrochemische Zellen wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Eine Batterie besteht normalerweise aus einem Metall- oder Kunststoffgehäuse, mit einem positiven Anschluss (eine Anode), einem negativen Anschluss (eine Kathode) und Elektrolyten, die Ionen zwischen ihnen bewegen lassen. Ein Separator (eine durchlässige Polymermembran) schafft eine Barriere zwischen Anode und Kathode, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern und gleichzeitig den Transport von Ionenladungen zu ermöglichen, die notwendig sind, um den Stromkreis während des Stromflusses zu schließen. Schließlich wird ein Kollektor verwendet, um die Ladung außerhalb der Batterie zu leiten, über das angeschlossene Gerät.

Wenn der Stromkreis zwischen den beiden Anschlüssen vervollständigt ist, erzeugt die Batterie Elektrizität durch eine Reihe von Reaktionen. Die Anode durchläuft eine Oxidationsreaktion, bei der zwei oder mehr Ionen aus dem Elektrolyt mit der Anode kombiniert werden, um eine Verbindung zu produzieren, wobei Elektronen freigesetzt werden. Gleichzeitig durchläuft die Kathode eine Reduktionsreaktion, bei der die Kathodensubstanz, Ionen und freie Elektronen zu Verbindungen zusammenkommen. Einfach ausgedrückt produziert die Anodenreaktion Elektronen, während die Reaktion in der Kathode sie aufnimmt, und aus diesem Prozess wird Elektrizität erzeugt. Die Batterie wird weiterhin Elektrizität erzeugen, bis die Elektroden nicht mehr über die erforderliche Substanz für die Erstellung von Reaktionen verfügen.

Batterietypen und -merkmale

Batterien werden in zwei Haupttypen unterteilt: Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien (Einweg) werden einmal verwendet und werden unbrauchbar, da sich die Elektrodenmaterialien darin während der Entladung irreversibel verändern. Häufige Beispiele sind die Zink-Kohle-Batterie und die Alkali-Batterie, die in Spielzeug, Taschenlampen und einer Vielzahl tragbarer Geräte verwendet werden. Sekundärbatterien (wiederaufladbar) können mehrfach entladen und aufgeladen werden, da die ursprüngliche Zusammensetzung der Elektroden in der Lage ist, ihre Funktionalität wiederherzustellen. Beispiele sind Blei-Säure-Batterien, die in Fahrzeugen verwendet werden, und Lithium-Ionen-Batterien, die für tragbare Elektronik verwendet werden.

Batterien gibt es in verschiedenen Formen und Größen für unzählige verschiedene Zwecke. Verschiedene Batterietypen zeigen unterschiedliche Vor- und Nachteile. Nickel-Cadmium (NiCd) Batterien haben eine relativ geringe Energiedichte und werden dort verwendet, wo eine lange Lebensdauer, eine hohe Entladungsrate und ein wirtschaftlicher Preis entscheidend sind. Sie können in Videokameras und Elektrowerkzeugen unter anderem Anwendungen gefunden werden. NiCd-Batterien enthalten giftige Metalle und sind umweltunfreundlich. Nickel-Metallhydrid-Batterien haben eine höhere Energiedichte als NiCd-Batterien, aber auch eine kürzere Lebensdauer. Anwendungen sind Mobiltelefone und Laptops. Blei-Säure-Batterien sind schwer und spielen eine wichtige Rolle in großen Leistungsanwendungen, wo Gewicht nicht entscheidend ist, aber der wirtschaftliche Preis. Sie sind üblich in Anwendungen wie Krankenhausausrüstung und Notbeleuchtung.

Lithium-Ionen (Li-Ion) Batterien werden dort verwendet, wo hohe Energie und minimales Gewicht wichtig sind, aber die Technologie ist anfällig und ein Schutzkreis ist erforderlich, um Sicherheit zu gewährleisten. Anwendungen sind Mobiltelefone und verschiedene Arten von Computern. Lithium-Ionen-Polymer (Li-Ion-Polymer) Batterien werden meist in Mobiltelefonen gefunden. Sie sind leicht und haben eine schlankere Form als Li-Ion-Batterien. Sie sind auch in der Regel sicherer und halten länger. Sie scheinen jedoch weniger üblich zu sein, da Li-Ion-Batterien billiger in der Herstellung sind und eine höhere Energiedichte haben.

Batterien und Superkondensatoren

Obwohl es bestimmte Arten von Batterien gibt, die eine große Menge an Energie speichern können, sind sie sehr groß, schwer und geben Energie langsam ab. Kondensatoren hingegen können schnell aufgeladen und entladen werden, enthalten jedoch viel weniger Energie als eine Batterie. Die Verwendung von Graphen auf diesem Gebiet bietet jedoch spannende neue Möglichkeiten für die Energiespeicherung, mit hohen Lade- und Entladeraten und sogar wirtschaftlicher Erschwinglichkeit. Graphenverbesserte Leistungen verwischen dadurch die konventionelle Linie der Unterscheidung zwischen Superkondensatoren und Batterien.

Fast hier: Graphen-verbesserte Batterien

Graphen-basierte Batterien haben aufregendes Potenzial und obwohl sie noch nicht vollständig kommerziell verfügbar sind, ist die Forschung und Entwicklung intensiv und wird hoffentlich in Zukunft Ergebnisse liefern. Unternehmen auf der ganzen Welt (einschließlich Samsung, Huawei und andere) entwickeln verschiedene Arten von Graphen-verbesserten Batterien, von denen einige jetzt den Markt betreten. Die Hauptanwendungen befinden sich in Elektrofahrzeugen und mobilen Geräten.

Einige Batterien verwenden Graphen auf periphere Weise - nicht in der Batterietiefe. Beispielsweise enthüllte Huawei im Jahr 2016 eine neue Graphen-verstärkte Li-Ionen-Batterie, die Graphen verwendet, um funktional bei höheren Temperaturen zu bleiben (60 Grad statt der bestehenden 50-Grad-Grenze) und eine doppelte Betriebszeit zu bieten. Graphen wird in dieser Batterie verwendet, um eine bessere Wärmeableitung zu bieten - es senkt die Betriebstemperatur der Batterie um 5 Grad.