Ein Wundermaterial für die Batterien von morgen: Graphen-Batterietechnologie für die Zukunft der Energiespeicherung

Der Übergang zu erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie erfordert neue Methoden der Energiespeicherung. Wolken können die Sonne tagelang verdecken, und Solarenergie steht nachts überhaupt nicht zur Verfügung; Wind kann noch unbeständiger sein. Speicherung hilft uns, unvermeidbare Erzeugungslücken zu überbrücken und lokale Nutzungsspitzen abzudecken.

Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien sind unglaublich, aber sie können sich nur so schnell aufladen und entladen und haben eine begrenzte Lebensdauer. Darüber hinaus ist die Gewinnung von Lithium aus der Erde kompliziert und hat ihre eigenen Umweltauswirkungen. Derzeit produziert die USA weniger als 1 % des weltweiten Lithiums, was einen potenziellen Engpass für die Produktion darstellt.

Superkondensatoren, die viel schneller und mit höherer Frequenz laden/entladen können als Lithium-Ionen-Batterien, werden jetzt zur Ergänzung der aktuellen Batteriespeicherung für schnelle Energieeingaben und -ausgaben verwendet. Graphen-Batterietechnologie oder graphenbasierte Superkondensatoren könnten in einigen Anwendungen eine Alternative zu Lithium-Batterien sein.

Der große Vorteil von Superkondensatoren ist ihre hohe Leistungsfähigkeit. Der Nachteil ist eine geringe Gesamtenergiedichte. Diese Eigenschaften scheinen im Widerspruch zu stehen, aber betrachten Sie die Definition beider Begriffe:

Während die Einheit im Zähler dieselbe ist, handelt es sich um zwei unterschiedliche Größen. Leistung ist die Fähigkeit, eine Energiemenge über einen bestimmten Zeitraum freizusetzen, während Energiedichte die Fähigkeit ist, eine bestimmte Energiemenge zu speichern, unabhängig vom Zeitraum.

Hohe Werte für beide wären ideal, aber Superkondensatoren haben typischerweise eine hohe Leistungsentladungskapazität und eine niedrige Energiedichte. Daher kann ein Superkondensator zwar einen gewaltigen Energiestoß für einen Moment erzeugen, aber er kann diese (oder eine niedrigere Rate) Energieabgabe nicht annähernd so lange aufrechterhalten wie eine vergleichbare Lithium-Ionen-Batterie. Die heutigen Anwendungen nutzen häufig einen Superkondensator, um massive Energiezuflüsse oder -ausgaben auszugleichen (z. B. regeneratives Bremsen und schnelles Beschleunigen), während langfristige Energiebedürfnisse von Batterien übernommen werden.

Die Herausforderung besteht darin, die Energiedichte von Superkondensatoren zu erhöhen, während die exzellente Sofort-Leistungskapazität beibehalten wird. Die Antwort kommt in Form des Wunderwerkstoffs Graphen.

Superkondensatoren verwenden üblicherweise Anoden- und Kathodenschichten aus Metallfolien, die mit Aktivkohle beschichtet und durch eine halbdurchlässige Membran mit einer Elektrolyt-Lösung getrennt sind. Diese Schichten des Kohlenstoff/Membran-Sandwiches werden in ein Kondensatorgehäuse gerollt oder gestapelt, wodurch sie Ladungen durch Ionenbewegung im Elektrolyten speichern können.

Aktivkohle kann in dieser Rolle sehr dünn gemacht werden, etwa 1/10 mm dick, hat jedoch eine große Oberfläche: mehrere Quadratzentimeter für jedes 0,1 mm Partikel. Graphen hingegen kommt in Form von 2D-Molekülschichten, die 1 Atom dick sind, mit einer ähnlichen spezifischen Oberfläche wie Aktivkohle. Es kann in einer extrem dünnen Schicht für eine ultradichte Anordnung von Leitern verteilt werden. Graphen ist ein ausgezeichneter Leiter, was bedeutet, dass es minimalen Wärmeverlust gibt und theoretisch eine bessere Stromlieferung als sogar Aktivkohle-Superkondensatoren ermöglicht.

Das Problem besteht darin, Graphen-Kondensatoren in großem Maßstab herzustellen. Angesichts des Potenzials von Graphen arbeiten Forscher jedoch hinter verschlossenen Türen an dieser Art der Implementierung. Während Graphen Lithium-Ionen-Akkus möglicherweise nicht vollständig verdrängen kann, könnten Verbesserungen von Superkondensatoren mithilfe von Graphen dazu beitragen, dass dieses Energiespeichergerät energie-dichter und effizienter wird.

Graphen ist nicht die einzige fortschrittliche Speicheroption, die entwickelt wird. Auch der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren – einer anderen Anordnung von Kohlenstoff in langen röhrenförmigen Molekülen, im Gegensatz zu den Graphenblättern – wurde für die Rolle der Energiespeicherung vorgeschlagen. Graphenkugeln und gebogenes/geknittertes Graphen sind weitere kohlenstoffbasierte Möglichkeiten zur Energiespeicherung.

Während die Fähigkeit, eine massive Menge an Leistung zu liefern, eine gute Sache ist, muss sie für eine ordnungsgemäße Verwendung kontrolliert werden. SiC-Transistoren können in dieser Rolle verwendet werden. Gleichzeitig müssen Strommesstechnologien implementiert werden, um eine ordnungsgemäße Anwendung von Leistung und Energie sicherzustellen.

Interessanterweise scheint die fortgeschrittene Produktion von Kohlenstoff in seinen verschiedenen Formen zusammen mit Silizium (und der Kombination der beiden) die Zukunft der Energiehandhabung zu sein. Die Herausforderung heute besteht darin, Ideen, die theoretisch und/oder in kleinem Maßstab funktionieren, zu übernehmen und sie in alltägliche Produkte zu überführen, die unser Leben bereichern. Sobald diese Techniken perfektioniert und implementiert sind, können wir eine energieeffizientere Zukunft mit noch leistungsfähigeren Geräten erwarten.