Graphen-Akkumulatoren und -Batterien: Erfindungsgeschichte, Anwendungsperspektiven und DIY-Fertigung

Selbst ein technisch schwacher Mensch weiß, dass ein autonomes System, das Strom nutzt, nicht auf unabhängige Stromquellen verzichten kann. Ob Mobilfunk oder Fahrzeuge, sie alle müssen mit Batterien oder Akkus ausgestattet sein, deren Nachteil eine geringe Kapazität und eine kurze Lebensdauer ist. Mit dem Aufkommen von Graphenbatterien wird dieser Nachteil beseitigt.

Entdeckungsgeschichte

Wissenschaftler suchen seit langem nach neuen Materialien, um elektrische Energie zu speichern. Die bisher verwendeten Komponenten von Batterien und Akkumulatoren entsprachen nicht den modernen Anforderungen der Elektrotechnik. Dies galt insbesondere für Batterien und Akkumulatoren, deren schlechte technische Eigenschaften die Entwicklung neuer sparsamer und umweltfreundlicher Fahrzeuge verhinderten.

Die Forschung wurde 2004 von Erfolg gekrönt, als zwei britische Wissenschaftler, Einwanderer aus Russland, Konstantin Novosyolov und Andrey Geim erhielten im Labor ein neues Material mit den gewünschten Eigenschaften auf Kohlenstoffbasis - Graphen. Für die Erzeugung eines ein Atom dicken Kohlenstofffilms auf einem Siliziumoxid-Substrat mit hohen Speichereigenschaften erhielten die Wissenschaftler 2010 den Nobelpreis.

Diese Entwicklung gilt als die vielversprechendste im Bereich der Energiespeichertechnologien, obwohl sie technisch noch keine breite Anwendung gefunden hat.

Graphen-Struktur

Graphen ist eine Art von Graphit - eine aus Kohlenstoffatomen bestehende Substanz. Ein Graphitkristall besteht aus Schichten, die wie zu einem Stapel gefaltete Papierblätter ähneln. Die atomare Wechselwirkung zwischen den Schichten ist schwächer als in der Mitte, weshalb sich Graphit als Bleistiftstab so gut eignet.

Diese Eigenschaft ermöglichte es, es in separate Schichten aufzuspalten und eine neue Substanz namens "Graphen" zu erhalten, die die gleichen Eigenschaften wie Graphit hat, jedoch um ein Vielfaches stärker. Dieses Ergebnis ist ein Durchbruch für die Entwicklung der Elektronik sowie die Herstellung von Batterien und Akkumulatoren, denn Naturgraphit besitzt eine hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit. Dadurch wird es möglich sein, teure Materialien, die derzeit in der Produktion verwendet werden, durch Graphen zu ersetzen, da Graphit in der Natur reichlich vorhanden ist.

Graphen hat eine extrem einfache Kristallstruktur, die den Widerstand gegen den Elektronenfluss verringert, sodass es viel schneller Ladung ansammeln kann als Volumenkristalle. Und diese Ladung ist viel mächtiger. Diese Eigenschaften werden es ermöglichen, daraus Batterien und Akkumulatoren herzustellen, die wesentlich bessere technische Eigenschaften aufweisen als die derzeit verwendeten.

Anordnung von Batterien und Akkus

Das Funktionsprinzip und der Aufbau von Graphenbatterien entsprechen denen konventioneller Akkumulatoren, die in Autos mit Verbrennungsmotor eingebaut sind. Der Unterschied liegt in den elektrochemischen Prozessen, die im Inneren des Geräts ablaufen. Sie sind der Reaktion in einer Lithium-Polymer-Batterie am ähnlichsten.

Bei der Herstellung von Graphenbatterien gibt es mittlerweile zwei konkurrierende Technologierichtungen. Sie wurden in den USA und Russland entwickelt:

• im amerikanischen Modell bestehen die Quellen der chemischen Reaktion aus Lithiumkobaltat und einer Kathode aus abwechselnden Silizium- und Graphenplatten;
• in der zweiten – russischen – Version entstand eine Magnesium-Graphen-Batterie, bei der das als Anode verwendete Lithiumsalz durch das billigere und weniger giftige Magnesiumoxid ersetzt wurde.

In beiden Fällen erhöht sich die Durchtrittsgeschwindigkeit der Ionen zwischen den Elektroden und die Kapazität Batterien, da Graphen eine hohe elektrische Permeabilität hat und zur Akkumulation neigt elektrische Ladung. Lediglich die Schätzungen der möglichen Kapazitäten unterscheiden sich. Amerikanische Experten glauben, dass es im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien verzehnfacht und Russen - bis zu zweieinhalb Mal.

Vorteile und Herausforderungen

Batterien mit flachen Graphitkristallen, die darin verwendet werden, sind vielversprechend. Sie unterscheiden sich:

• weniger Gewicht;
• hohe Leitfähigkeit;
• große Festigkeit und Wasserbeständigkeit;
• ökologische Sauberkeit;
• erhöhte spezifische Kapazität;
• die Fähigkeit, ihre Qualitäten durch Kombination mit anderen Materialien anzupassen;
• leichte Entfernbarkeit von Schäden;
• niedriger Rohstoffpreis.

Das Hauptproblem bei Graphenbatterien ist heute ihre Größe. Sie erweisen sich als zu groß für die Installation auf mobilen Geräten. Dieses Problem ist noch nicht gelöst.

Im Gegensatz zu Gadgets, in der Automobilindustrie hat Graphen hervorragende Perspektiven jetzt. Der Einbau von Graphen-Batterien in ein Elektroauto verdreifacht die Laufleistung zwischen zwei Ladungen auf bis zu 1000 km. Das Aufladen dauert maximal 10 Minuten. Diese Tankstelle mit Tankstellen auszustatten ist kein Problem.

Andere Entwicklungen

Neben Russland und den USA wird auch in anderen Ländern aktiv an der Verbesserung von Graphenbatterien gearbeitet.

Wissenschaftler in Australien haben einen Weg gefunden, Graphenplatten in einem stabilen Zustand zu halten. Schließlich war ihre Instabilität, der Wunsch, in den dreidimensionalen Zustand zurückzukehren, der gewöhnlichem Graphit inhärent ist, eines der Hauptprobleme dieses Materials. Um dies zu verhindern, legten die Wissenschaftler die Graphenplatten in ein Wassergel, damit sie nicht zusammenkleben. Zudem lässt sich ein Akku dieser Bauart in Sekundenschnelle aufladen. Die Kosten für das Gel sind gering, da es nur aus Wasser und Kohlenstoff besteht.

Fast jedes Jahr tauchen weltweit neue Technologien aufdie eine rationellere Nutzung der sich erschöpfenden natürlichen Ressourcen ermöglichen. Dazu gehört die Erfindung von Graphen, die in naher Zukunft zu revolutionären Veränderungen in Transportsystem aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften in einem großen Volumen zum Sammeln und Speichern von elektrischem Energie. Es ist wahrscheinlich, dass jeder mit einem 3D-Drucker mit seinen eigenen Händen eine Graphenbatterie herstellen kann.