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Wie Nanotechnologie die nächste Akkugeneration voranbringt

Wiederaufladbare Batterien sind ein wichtiger Bestandteil vieler moderner Technologien. Bei Forschern, Fertigern und Herstellern sind daher Verbesserungen von Batterieeffizienz, -sicherheit, -baugröße und -gewicht von besonderer Bedeutung, um den Anforderungen neuer Technologien gerecht zu werden. Kurz gesagt: Der Wunsch der Verbraucher nach leistungsstärkeren, kleineren und leichteren elektronischen Geräten bringt neue Anforderungen an die Batterietechnologie mit sich. Konventionelle Herstellungsmethoden, Elektrochemie und Materialien sind in vielen Bereichen nach wie vor eine gute Lösung. In den letzten Jahren stieg allerdings das Interesse am Einsatz von Nanomaterialien in den Elektroden.

An den aktuellen Batterietechnologien ist nichts auszusetzen. Der Nobelpreis für Chemie 2019, mit dem die Wissenschaftler hinter der Lithium-Ionen-Technologie geehrt wurden, unterstreicht dies. Der Wandel und technologische Innovationen sind allerdings unvermeidlich. Die technologischen Fortschritte der letzten Jahrzehnte waren nur möglich, weil sich die Elektronikindustrie stetig gewandelt und Innovationen vorangetrieben hat.

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) sind heutzutage allgegenwärtig, ihre Wirkungsgrade sind jedoch nicht sonderlich beeindruckend. Sie sind wesentlich sicherer als andere Batterien und bieten dennoch eine gute Energiedichte, die noch Raum für Verbesserungen gibt. Andere Batterietypen gewinnen sowohl auf Grundlagenebene wie auch auf kommerzieller Ebene an Bedeutung und die Verbesserung der bereits etablierten Li-Ion-Akkus durch die Nutzung von Nanomaterialien hat bereits begonnen.

Warum Nanomaterialien?

Die Gründe für die Umstellung (oder die versuchte Umstellung) auf Nanomaterialien anstelle von konventionellen Materialien sind in der Batterie- und Elektroindustrie die gleichen wie in anderen Industriezweigen: Eine kleine Menge Nanomaterialien, die in einem Gerät (oder in einem anderen Material) enthalten sind, kann eine ganze Reihe von positiven Eigenschaften bieten.

Nicht alle Nanomaterialien sind für Batterien geeignet, da einige Materialien von Natur aus isolierend sind. Leitfähige Nanomaterialien eignen sich jedoch sehr wohl für Batteriesysteme, wie z.B. Feststoffbatterien oder sehr dünne Akkus (z.B. einige 2D-Materialien). Glücklicherweise ist die Verwendung von Nanomaterialien in Elektroden keine völlig neue Erfindung, sondern lediglich eine natürliche Entwicklung, um Systeme effektiver zu machen, ohne die interne Funktionsweise der Technologie zu verändern. Der Einsatz von Nanomaterialien kann die spezifischen Mechanismen des Wanderns der Ionen in die Elektroden (aufgrund unterschiedlich großer/geformter Atomlöcher) über verschiedene Architekturen leicht verändern, die allgemeine Funktionsweise der Batterien bleibt jedoch unverändert. Dadurch können auftretende Sicherheits- oder Effizienzprobleme wesentlich leichter lokalisiert werden als bei einem neuen Batterietyp, der von Grund auf neu entwickelt wird. Manchmal ist es besser, den Status Quo zu verbessern, als zu versuchen, etwas völlig Neues zu entwickeln.

Viele der getesteten Nanomaterialien haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit und dadurch auch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit. Diese Eigenschaften beruhen darauf, dass Nanomaterialien im Vergleich zu konventionellen Bulk-Materialien eine sehr aktive und sehr große Oberfläche haben. In einigen Fällen besteht die aktive Oberfläche aus dem gesamten Nanomaterial (2D-Materialien). Da Nanomaterialien von Natur aus dünn sind, sind sie wesentlich flexibler einsetzbar als konventionelle Bulk-Materialien. Das gilt sogar für die anorganischen Materialien. Dadurch eignen sie sich gut für Akkus, die in flexiblen und Wearables-Technologien zum Einsatz kommen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Da Nanomaterialien von Natur aus dünn sind, wie in dieser Grafik dargestellt, sind sie flexibler als konventionelle Bulk-Materialien und daher besser für Batterien geeignet, die in flexiblen und Wearables-Technologien verwendet werden (Quelle: BONNINSTUDIO/Shutterstock.com)

Trotz ihrer geringen Größe sind viele Nanomaterialien sehr stabil und resistent gegen hohe Temperaturen, aggressive Chemikalien und hohe physische Belastungen. Dies gilt zwar nicht für alle Nanomaterialien, es gibt jedoch genügend Nanomaterialien, die stabil und leitfähig genug für den Einsatz in Batterieelektroden sind. Ein Nachteil von Nanomaterialien ist ihr höherer Preis, denn für ihre Herstellung sind aufwändigere Verfahren erforderlich. Da jedoch für gleiche (oder bessere) Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Bulk-Materialien nur eine geringe Menge benötigt wird, sind die Kosten insgesamt deutlich geringer als viele glauben. Eine geringe Zugabe von Nanomaterialien bedeutet auch, dass häufig weniger verschwendet wird und die Batterien leichter sind als beim Einsatz konventioneller Bulk-Materialien.

Graphen ist der Spitzenreiter

Von allen getesteten Nanomaterialien ist Graphen der Spitzenreiter und findet sich in mehr Prototypen als jedes andere Nanomaterial. Eine Reihe von Unternehmen stellt inzwischen Graphenbatterien für verschiedene Branchen kommerziell her. Berichten zufolge könnten einige große Mobiltelefonhersteller in naher Zukunft Graphenbatterien in den Geräten der nächsten Generation verwenden (Graphen wird bereits in den Kühlsystemen einiger Telefone verwendet).

Graphen weist die besten Werte bei fast allen Nanomaterial-Eigenschaften auf. Daher sind Kompromisse zwischen den vorteilhaften Eigenschaften verschiedener anderer Materialien durch die Verwendung von Graphen häufig nicht notwendig. In vielen Batterien kommt bereits Graphit zum Einsatz, wobei viele Graphenschichten übereinander gelegt sind. Daher ist der Entwicklungsschritt zur Graphenbatterie viel natürlicher als bei anderen Materialien und es wurden bereits Systeme entwickelt, die Graphit-Graphen-Elektroden verwenden.

Graphen besitzt eine der höchsten elektrischen Leitfähigkeiten und Ladungsträgermobilitäten, die bei Materialien bekannt sind. Darüber hinaus verfügt es über eine unglaublich hohe Zugfestigkeit und Flexibilität (mehr als die meisten Nanomaterialien und konventionellen Bulk-Materialien) und ist stabil gegenüber hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien. Da diese Eigenschaften in einem einzigen Material zusammenkommen, kann es in zahlreichen Umgebungen und Anwendungen eingesetzt werden, ohne dass seine Leistung beeinträchtigt wird. Das ist ein wichtiger Aspekt, denn die Batterien und die Technologien, in denen es zum Einsatz kommt, können im Inneren sehr heiß werden, ganz abgesehen von der Hitze, der sie von außen ausgesetzt sein können. Einschichtiges Graphen ist optisch transparent. Dadurch kann es zur Herstellung transparenter Elektroden und transparenter leitfähiger Folien verwendet werden, die in den Batterien der Zukunft eingesetzt werden könnten, die für den Benutzer unsichtbar sein müssen.

Die Eigenschaften von Graphen sind für Akkus besser geeignet sind als die der meisten anderen Nanomaterialien. Zudem ist die Industrie bei Graphen in einer viel besseren Position, um mit den starken Nachfrage fertig zu werden, falls sie einmal kommen sollte. Da die Eigenschaften und das Potenzial von Graphen gut verstanden sind, hat sich die Industrie bereits darauf vorbereitet und ist weltweit gewachsen und in der Lage, Graphen nun in verschiedenen Formen in großem Maßstab zu produzieren. Die Rohstoffseite ist skalierbarer als bei anderen Nanomaterialien, was Graphen zu einer wesentlich wirtschaftlicheren Option macht.

Fazit

In der modernen Gesellschaft gibt es eine starke Nachfrage nach effizienteren und kleineren Akkus, sei es für Mobiltelefone oder für Fernüberwachungsgeräte. Die Unternehmen beginnen mit der Erprobung von Nanomaterialien in Batteriesystemen, denn diese bringen Leistungsvorteile und können die Batterien kleiner machen, ohne die Kosten erheblich zu erhöhen, weil nur eine geringe Menge benötigt wird. Einige Unternehmen stellen bereits Graphenbatterien her. Solche Graphen-Akkus sind schon für den industriellen Bereich verfügbar, es könnte allerdings noch einige Zeit dauern, bis die High-Tech-Consumer-Produkte (Telefone, Tablets usw.) Graphen (oder andere Nanomaterialien) in großem Maßstab übernehmen, da sich die derzeit eingesetzten Batterietechnologien gut bewährt haben und die Einführung von Veränderungen in diesen Märkten eine längere Zeit in Anspruch nimmt.