Graphen-Akkus – Aktueller Stand der neuen Power-Technologie

Ein Graphen-Akku ist eine wiederaufladbare Batterie, die nicht auf Lithium-Ionen-Basis funktioniert, sondern mit einem modifizierten Kohlenstoff. In Graphen sind Kohlenstoffatome hexagonal angeordnet und liegen nur einlagig vor. Das ist der wichtige Unterschied zum Graphit, der auf molekularer Basis ein hexagonales Kristallsystem aufweist. Doch welche Vorteile und Nachteile bieten Graphen-Akkus? Und wo könnten die Batterien mit Graphen in Zukunft zum Einsatz kommen? Hier findet ihr Antworten auf diese Fragen sowie weitere Informationen zum aktuellen Stand der neuen Akku-Technologie. 

Was ist ein Graphen-Akku?

Graphen-Akkus werden als moderne Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) angesehen. Sie werden teilweise als deren Ersatz und teilweise als Ergänzung bezeichnet. Es gibt also Bestrebungen, Stromspeicher mit herkömmlicher Bauweise entweder komplett zu ersetzen oder durch die neue Technologie zu verbessern und aufzuwerten. Vor allem wenn es darum geht, Tiefentladung und Überladung vorzubeugen. Diese können bei einem Li-Ion-Akku auftreten. Graphen-Akkus sollen damit keine Probleme haben.

Neben diesen Vorteilen bietet ein Graphen-Akku zudem eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Durch die „eindimensionale“ Struktur in Bienenwaben-Form ist der Werkstoff außerdem ziemlich leicht. Er kann kompakt zum Einsatz gebracht werden, was die Verwendung in kleineren Geräten wie Smartphones, Tablets, Laptops und dergleichen ermöglicht. Hinzu kommt – für diese und weitere Geräte – die im Vergleich zu Lithium-Akkus höhere Lebensdauer. Das klingt alles gut, es gibt aber auch einen Nachteil. 

Graphen-Batterien: Vorteile und Nachteile

Der im Vergleich auftretende Nachteil liegt im Verhältnis von Energie zu Volumen, also in der Energiedichte. Bei gleichem Volumen bieten Lithium-Ionen-Akkus bis zu zweimal so viel Energie als die Graphen-Alternative. Diese kann das durch kompakte Bauweise und weniger Masse aber ausgleichen. Im Energie-Vergleich zeigen sich folgende Werte (Wattstunden pro Liter): 

• Lithium-Ionen: ca. 160 Wh/l
• Graphen: ca. 90 Wh/l

Vorteile

• Elektrische Leitfähigkeit ist sehr gut
• Material ist leicht und kompakt einsetzbar
• Die Lebensdauer ist höher als bei bisherigen Batterien / Akkus

Nachteile

• Die Energiedichte ist geringer als bei Li-Ion-Akkus
• Der Stoff ist noch nicht vollends erforscht

Was ist Graphen?

Jetzt kennt ihr schon die Grundlagen zum Werkstoff und zum Einsatz als Energiespeicher für elektrischen Strom. Doch Graphen (englisch: Graphene) bietet noch viel mehr Interessantes. Denn nicht nur ist es ein relativ neu entdeckter Stoff, auch bietet er ein paar ungewöhnliche Eigenschaften. Diese wurden, wie der Stoff selbst, von dem Physiker-Duo Konstantin Novoselov und Andre Geim seit 2004 entdeckt und erforscht. Die beiden Physiker erhielten dafür in 2010 den Physik-Nobelpreis.

Zu den recht interessanten Eigenschaften gehören laut dem offiziellen Wikipedia-Artikel, den ihr mit diesem Link aufrufen könnt, ein ungewöhnlicher Quanten-Hall-Effekt, eine Steifigkeit in Temperaturabhängigkeit, gleichzeitig ein elastisches Verhalten und Pseudo-Magnetfeld, sogenannte Spinströme, ein hydrodynamisches Verhalten und ein pseudorelatvistisches Verhalten. Weiterhin ist der Stoff semipermeabel, was ihn als Filter attraktiv macht (s. u.).

Aktuelle News: Real Graphene, Appear und Samsung

Doch wie ist der aktuelle Stand zum Einsatz des Stoffes als Speicher für elektrische Energie in Geräten? Der Einsatz als wiederaufladbare Batterie wird derzeit noch erforscht, beispielsweise von dem Unternehmen „Real Graphene“ aus den USA. Dieses bietet auf seiner Webseite auch schon eine Powerbank mit Graphen an. Weitere Angebote sollen folgen. Auf der „About Us“-Seite steht dazu folgendes:

Real Graphene USA was founded by two UC Berkeley graduates who realized the amazing potentials of graphene during lab research. Our goal is to integrate graphene into affordable every day technology.

Darüber hinaus soll der ebenfalls aus den USA stammende sowie global aktive Hersteller von IoT-Geräten „Appear“ ein 5G-Handy mit Graphen-Batterie auf den Markt bringen wollen – und das schon 2021. Das geht aus einer Energyload-Meldung hervor, die ihr hier einsehen könnt. Hinsichtlich Appear wird dabei erwähnt, dass die Ankündigung mit Vorsicht zu genießen ist. Ein namhafterer Smartphone-Hersteller soll aber ebenfalls tendenziell 2021 ein Handy mit Graphenakku veröffentlichen: Samsung. Erfahrungsgemäß wird Apple erst auf den Zug aufspringen, wenn die Technologie marktreif ist.

Nicht nur Akkus: Anwendungsgebiete von Graphen

Schon in nächster Zukunft können wir also tendenziell Geräte wie Smartphones oder Tablets mit der neuen Akku-Bauweise erwarten. Doch neben der Verwendung in einer Batterie zum Wiederaufladen kann Graphen noch auf weitere, unterschiedliche Arten eingesetzt werden. Das Kohlenstoff-Gitter bietet theoretisch folgende Möglichkeiten:

• Durch die hohe Leitfähigkeit ist ein Ablösen von Silizium als Transistor-Material denkbar
• Neben Akkus auch Einsatz in Superkondensatoren
• Eventuell, aber schwer möglich: Einsatz in der Photovoltaik-Technologie (Wirkungsgrad ca. 60%)
• Speicherzellen für künstliche neuronale Netze ohne binäre Werte, sondern mit Zwischenzuständen
• Herstellung von OLED-Elektroden (bereits in 2016 / 2017 gelungen)
• Mit Graphen versetzter Beton, der induktives Laden von E-Mobilen oder Beheizen von Straßen ermöglicht
• Graphenoxid ist H₂O-durchlässig, aber für andere Stoffe dicht (selbst für Helium gasdicht), was eine Anwendung als Wasserfilter ermöglichen könnte
• Und einige mehr

Weitere Informationen und Forschung

Ich persönlich finde den oben verlinkten Wikipedia-Artikel sehr gut, um sich weiter zum Thema zu informieren. Darin werden die Erforschung, Darstellung und Verwendung von Graphen weiter beleuchtet. Auch wird Graphan erwähnt. Graphan entsteht durch die Kombination von Graphen mit atomarem Wasserstoff und dient als elektrischer Isolator. Nicht zuletzt muss aber natürlich auch auf die Umweltverträglichkeit des Stoffes geschaut werden. Diese ist aktuell ebenfalls noch Gegenstand der Forschung. Als erstes Teilergebnis wird im Wiki-Artikel dies benannt: „Erste Veröffentlichungen […] lassen unter anderem erwarten, dass Graphen in Grundwasser eine hohe Mobilität aufweist und sich daher schnell verbreiten könnte.“

Johannes Domke

Johannes hat nach dem Abitur eine Ausbildung zum Wirtschaftsassistenten in der Fachrichtung Fremdsprachen absolviert. Danach hat er sich aber für das Recherchieren und Schreiben entschieden, woraus seine Selbstständigkeit hervorging. Seit mehreren Jahren arbeitet er nun u. a. für Sir Apfelot. Seine Artikel beinhalten Produktvorstellungen, News, Anleitungen, Videospiele, Konsolen und einiges mehr. Apple Keynotes verfolgt er live per Stream.