Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien: Neue Graphen‑Technologie bietet eine zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als aktuelle Lösungen

Graphen & Batterien

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose Entdeckung 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde.

Eine solche Alternative sind Batterien, die Graphen verwenden.

Das liegt daran, dass Graphen ein “Wunderstoff”, aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Das verleiht ihm außergewöhnliche elektrische Eigenschaften. Wir haben mehr über Graphen erklärt, ebenso wie über andere “2D materials” wie borophene und goldene in “2D Materials, Like Graphene, Open New Frontiers In Material Sciences”.

Elektrische Eigenschaften sind nicht die einzigen Merkmale, die Graphen außergewöhnlich machen. Es ist auch bemerkenswert wegen seiner Wärmeleitfähigkeit, die es ermöglicht, Wärme extrem schnell zu übertragen.

Quelle: GMG

Diese thermische Eigenschaft könnte sich als bahnbrechend für die Batterietechnologie erweisen und paradox könnte Graphen dazu beitragen, Lithium-Ionen-Batterien als dominierende Batterietechnologie gegenüber alternativen Chemien, einschließlich Graphen-basierter Batterien, zu erhalten.

Dies könnte dank einer Entdeckung von Forschern der Swansea University (UK), in Zusammenarbeit mit Wuhan University of Technology und Shenzhen University (China) geschehen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in einem wissenschaftlichen Artikel, der in Nature Chemical Engineering unter dem Titel „Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety“ erschien.

Graphen‑Einschränkungen

Auf dem Papier ist Graphen ein Wunderstoff, der viele Branchen revolutionieren sollte, von der Batteriefertigung bis hin zu allem, was Elektrizität nutzt, einschließlich Computern und Solarmodulen, und sogar Beton und Nanoroboter in unserem Blutkreislauf.

In der Praxis leidet Graphen unter einigen Einschränkungen:

• Herstellung im großen Maßstab: Ein Stück Klebeband, das auf ein Stück Graphit aufgelegt wurde, reichte aus, um Graphen zu entdecken. Für die Massenproduktion sind jedoch wesentlich komplexere Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erforderlich.
• Kosten: die meisten Produktionsmethoden und Anwendungen für bestehende Geräte sind meist im kleinen Maßstab oder maßgeschneidert, und 2D‑Materialien bleiben relativ teuer. Der tatsächliche Preis kann stark variieren, je nach Reinheit, zum Beispiel Graphen zwischen 20 $‑2.000 $/kg.

Natürlich sind die beiden Probleme miteinander verknüpft, da die geringe Produktionsgröße die Kosten erhöht. Bisher hat dies die Massenadoption von Graphen stark behindert, sodass die meisten Versprechen dieses Materials noch unerfüllt bleiben, trotz seiner Entdeckung vor 20 Jahren im Jahr 2004.

Die Fähigkeit, graphene‑basiertes Material in großen Mengen zu produzieren, ist entscheidend, um sowohl die Kosten zu senken als auch industrielle Anwendungen zu ermöglichen.

Dies ist ein rein herstellungs- und technisches Problem, da Graphen aus Kohlenstoff besteht, einem reichlich vorhandenen und günstigen Material. Daher leidet es nicht unter dem Problem seltener Materialien, wie beispielsweise wasserstoffproduzierenden Katalysatoren, die seltene Metalle wie Platin oder Palladium verwenden.

Daher hat Graphen das Potenzial, unsere Energiesysteme wirklich zu revolutionieren, ohne durch Ressourcenverknappung an Grenzen zu stoßen, wenn es massenhaft eingesetzt wird.

Herstellung von Kilometern Graphen

Dieses Problem der großskaligen Produktion ist das, was die Forscher in dem oben genannten Papier behaupten, teilweise gelöst zu haben.

Die Veröffentlichung der Forscher „beschreibt das erste erfolgreiche Protokoll zur Herstellung fehlerfreier Graphen‑Folien im kommerziellen Maßstab“.

Die in dem wissenschaftlichen Papier erklärte Methode kann verwendet werden, um Graphen‑Folien in Längen von Metern bis Kilometern herzustellen.

Selbst in einem Labor, das nicht für die Massenproduktion ausgelegt ist, gelang es ihnen, eine 200 Meter lange Graphen‑Folie mit einer Dicke von 17 µm zu erzeugen.

Diese Folie ist zudem bemerkenswert robust und zeigte, dass sie auch nach über 100.000 Biegungen eine hohe elektrische Leitfähigkeit beibehält.

Daher kann mit Sicherheit angenommen werden, dass sie in flexiblen Elektronikgeräten, der industriellen Fertigung und anderen Anwendungen, bei denen Graphen leistungsstarke Ströme leitet, eingesetzt werden kann.

Was können Graphen‑Folien leisten?

Lithium‑Ionen‑Batterien sind einem wesentlichen Risiko ausgesetzt, dem sogenannten thermischen Durchgehen. Dies geschieht, wenn übermäßige Hitze in einem Teil der Batterie akkumuliert, was häufig zu Batterieversagen mit gefährlichen Bränden oder Explosionen führt.

Dieses Problem ist einer der Hauptgründe, warum viele Forscher und Batterieunternehmen über Lithium‑Ionen hinaus nach alternativen Chemien wie Natrium‑Ionen suchen. Viele alternative Lösungen werden erforscht, zum Beispiel Gel‑Elektrolyte.

Thermisches Durchgehen tritt meist an den Stromabnehmern der Batterie auf, wo die meiste Leistung konzentriert ist. In heutigen Lithium‑Ionen‑Batterien bestehen die Stromabnehmer normalerweise aus Aluminium oder Kupfer.

Die von den Forschern mit ihrer Graphen‑Folie entwickelten Graphen‑Stromabnehmer können eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹ aufweisen. Zum Vergleich ist das fast das 10‑fache der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer‑ und Aluminium‑Stromabnehmern.

Quelle: Nature Chemical Engineering

 Implikationen für Lithium‑Ionen‑Batterien

Da die Graphen‑Folie eine sehr schnelle Wärmeableitung zeigt, eliminiert sie das Risiko lokaler Hitzeansammlungen, wenn Strom fließt.

Damit werden wiederum die Risiken von aluminothermen und Wasserstoff‑Entwicklungsreaktionen entfernt, die kritische Schritte zur Ausbreitung des Batterieversagens und zur Brandgefahr darstellen.

“Unsere dichte, ausgerichtete Graphenstruktur bietet eine robuste Barriere gegen die Entstehung brennbarer Gase und verhindert, dass Sauerstoff in die Batteriezellen eindringt, was entscheidend ist, um katastrophale Ausfälle zu vermeiden,”

Dr. Jinlong Yang, Mitautor

Vielleicht noch wichtiger ist, dass die Methode bereits als einsetzbar in der Massenfertigung der Graphen‑Folie nachgewiesen wurde. So könnte sie schnell in bestehende Batteriefertigungsprozesse integriert werden.

“Dies ist ein bedeutender Fortschritt für die Batterietechnologie. Unsere Methode ermöglicht die Produktion von Graphen‑Stromabnehmern in einem Maßstab und einer Qualität, die sich problemlos in die kommerzielle Batteriefertigung integrieren lässt. Dies verbessert nicht nur die Batteriesicherheit durch effizientes Wärmemanagement, sondern erhöht auch die Energiedichte und Langlebigkeit.”

Dr. Rui Tan, Mitautor

Zukunft der Anwendungen von Graphen‑Folien

Die Forscher untersuchen bereits Möglichkeiten, die Dicke der Graphen‑Folien zu reduzieren und ihre mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern.

Sie prüfen zudem, wie die Graphen‑Folie dazu beitragen könnte, bessere Redox‑Flow‑Batterien und Natrium‑Ionen‑Batterien zu entwickeln, in Zusammenarbeit mit einem weiteren Forschungsteam der Swansea University, unter der Leitung von Prof. Serena Margodonna.

Wir haben bereits über honeycomb lithium-ion batteries that remove the risk of battery failure from dendrite growth gesprochen. Wenn das thermische Durchgehen ebenfalls dank der Graphen‑Folie unterdrückt werden kann, könnte dies Lithium‑Ionen‑Batterien deutlich sicherer und langlebiger machen als die aktuelle Version.

Quelle: Chemistry Europe

Dies folgt im Allgemeinen dem Muster, dass die meisten Innovationen in einer Nische der Batterietechnologie in anderen Designs nutzbar werden, was den schnellen Fortschritt der Branche unterstützt.

(Sie können auch mehr über Batterietechnologie in unseren Artikeln “The Future of Mobility – Battery Tech” und “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

Investieren in Batterietechnologie

Lithium‑Ionen‑Batterien haben die Welt bereits mehrfach verändert, von der Möglichkeit, fortschrittliche Elektronik überall mitzunehmen, bis hin zum Antrieb von Autos ausschließlich mit Strom.

Sie könnten dies erneut tun, oder andere Batterietypen, indem sie ein zu 100 % erneuerbares Stromnetz ermöglichen oder die Elektrifizierung von Flugzeugen ermöglichen, sobald eine ausreichend hohe Energiedichte erreicht ist.

Sie können in batteriebezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und Sie finden hier, auf securities.io, unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Batterieunternehmen auszuwählen, können Sie auch in Batterie‑ETFs wie Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) investieren, die eine diversifiziertere Exponierung bieten, um vom wachsenden Batterie‑Sektor zu profitieren.

Oder Sie können unsere Artikel „Top 10 Battery Stocks To Invest In“ und „Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks“ ansehen.

Batterie‑Unternehmen

1. Veeco

Veeco ist seit seiner Gründung im Jahr 1945 ein wichtiger Lieferant von Ausrüstungen für die Halbleiterfertigungsindustrie. Seine Maschinen werden bei der Herstellung fortschrittlicher EUV‑Chips, 5G‑Antennen, Festplatten, LIDAR, LEDs, Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge usw. eingesetzt.

Quelle: Veeco

Der Haupttechnologiefokus des Unternehmens liegt auf demselben CVD‑Verfahren, das für Borophen und teilweise für die Graphenproduktion verwendet wird, genauer gesagt MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Quelle: Veeco

Als führendes Unternehmen in diesem Nischensegment der Halbleiterindustrie könnte Veeco ein guter Kandidat sein, auf den Aufstieg weiterer CVD‑Anwendungen zu setzen.

Ein solches Wachstum könnte aus der zunehmenden Nutzung von Graphen, Wolfram und Borophen resultieren, da wir zunehmend besser darin werden, Materie auf atomarer Ebene zu manipulieren. Dazu gehören Graphen‑Dünnschichten, aber auch potenzielle Graphen‑Halbleiter, Supraleiter usw.

Es wird voraussichtlich auch von den massiven Trends der Digitalisierung, KI und Elektrifizierung profitieren, unabhängig davon, ob es stark 2D‑Materialien nutzt oder nicht.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG ist ein Graphen‑Hersteller, der sein Produktangebot auf bereits bewährte Graphen‑basierte Produkte wie Wärmebeschichtungen und Schmierstoffe konzentriert hat.

Damit ist GMG eine gute Option für Investoren, die eine direkte Beteiligung am Graphen‑Markt suchen und ein Unternehmen, das bereits aktiv Graphen in Massenproduktion herstellt und das aktuelle Produktionsverfahren verbessert.

Quelle: GMG

Weitere Anwendungen könnten die Herstellung von Graphen‑Halbleitern sein (siehe „Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?“), oder sogar Raumtemperatur‑Supraleiter. Graphen‑Beschichtungen könnten auch in Batterien und für Wasserstoff‑Druckbehältertechnologien eingesetzt werden.

Quelle: GMG

GMG produziert sein Graphen aus Methan + Wasserstoff, was sich von den meisten Wettbewerbern unterscheidet, die es aus natürlichen Graphitvorkommen herstellen. Dies ermöglicht höhere Reinheit, bessere Skalierbarkeit und kostengünstige Produktion.

Das Unternehmen eröffnete 2023 seine erste Produktionsstätte in Australien, mit einer Jahreskapazität von bis zu 1 Million Liter Wärmeübertrager‑Beschichtungsproduktion.

Der nächste Schritt für das Unternehmen wird seine Batterietechnologie auf Basis von Graphen‑Aluminium‑Ionen sein, mit einer Energiedichte von 290 Wh/kg, 60‑mal schnellerem Laden als Lithium‑Ionen‑Batterien, einer dreifachen Batterielebensdauer und einem besseren Brandrisikoprofil.

Quelle: GMG

Dieser Einstieg in den Batteriemarkt könnte für GMG ein großes Risiko darstellen, bietet dem Unternehmen jedoch auch eine einzigartige Perspektive auf den zukünftigen Markt, der sich für Graphen öffnen könnte, einschließlich im Bereich Elektrofahrzeuge und anderer energiebezogener Anwendungen.