Graphen: Hightech-Material unter der Lupe

Ein wenig Hype ist schon dabei. „Graphen“ klingt einfach hip und verheißungsvoll. Nur einige Beispiele aus Schlagzeilen der zurückliegenden Monate:

• Erste Graphen-Akkus!
• Ein mit Graphen bespannter Tennisschläger!
• Smartphone-Schutzhüllen aus Graphen!

Schon mehrfach riefen einige Redaktionen die Graphen-Revolution aus. Ansonsten ist es bislang erstaunlich ruhig um das Hightech-Material bestellt. Erst jetzt beginnt die Umwälzung. Befeuert von einer Milliarde Euro in Forschungsprojekten bis 2023 (bereitgestellt von der EU), cleveren Marketingstrategien und sinkenden Preisen, sickert Graphen langsam in den Alltag ein.

Die richtige Zeit also, den Stoff genauer vorzustellen.

Was ist überhaupt Graphen?

Graphen (gesprochen mit einem „f“ und langem „e“) ist ein modifizierter, auf Kohlenstoff basierender Werkstoff. Die einzelnen C-Atome sind in bienenwabenartiger Struktur auf einer zweidimensionalen Ebene miteinander verbunden.

Die einlagige Struktur ist bedeutsam. Eine dreidimensionale Kohlenstoff-Verbindung ergäbe Graphit, das unter anderem in Bleistiftminen zu finden ist. Ein vergleichsweise minderwertiges Material.

Wann hat man Graphen entdeckt?

Bereits 2004 beschrieben die Physiker Konstantin Novoselov, Andre Greim und ihr Team die wesentlichen Eigenschaften von Graphenkristallen. Und das nicht anhand theoretischer Überlegungen. Die gab es bereits zuvor. Sondern mit einem Graphen-Gitter, das die Forscher aus Graphit und unter Einsatz eines handelsüblichen Klebebands herstellten.

Sie zogen von einem glatten Graphitblock eine dünne Schicht des Materials ab. Und wiederholten den Vorgang so oft, bis das Gitter lediglich ein Atom hoch war. Die „Methode Tesafilm“ war geboren. 2010 verlieh die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften Novoselov, Greim und ihrem Team den Nobelpreis für Physik. Graphit, Tesafilm und clevere Ideen waren die Grundlage.

Was sind die Vorteile von Graphen?

Die Gitterstruktur des Materials verleiht Graphen besondere Eigenschaften. Es leitet Strom eineinhalbmal besser als Kupfer. Damit qualifiziert es sich als essenzielles Bauteil schnell aufladbarer Energiespeicher.

Elektrischen Strom kann das Material auch speichern. Während reguläre Batterien ihre Energie mit Hilfe einer chemischen Reaktion speichern und nur langsam abgeben, speichert Graphen diese direkt und kann sie blitzschnell abgeben. Da diese Graphen-Speicher äußerst kompakt sind, sind sie überall dort attraktiv, wo man Gewicht und Platz einsparen möchte.

Mit Skeleton Technologies hat sich ein erstes deutsch-estnisches Start-Up bereits etabliert. Das Unternehmen produziert in der Nähe von Dresden Superkondensatoren, welche die Europäische Raumfahrtbehörde ESA neben regulären Batterien in ihren Satelliten einsetzen will.

Der teilweise und nicht vollständige Einsatz liegt in der Energiedichte begründet. Die liegt bei Lithium-Ionen-Akkus um die 160 Wh/l. Graphen weist eine geringere Dichte auf, gibt dafür den Strom aber schneller ab.

In einer Konzeptstudie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des University College London konnten die Forscher nachweisen, dass ihr neuer Superkondensator beides kann: Große Mengen Energie speichern und schnell abgeben. Dennoch ist die Energiedichte mit 88,1 Wh/l erheblich niedriger als bei anderen Technologien.

Sind Graphen- auch Festkörperbatterien?

Im Zusammenhang mit zukünftigen Batterietechnologien fällt auch immer der Begriff „Festkörperbatterie“. Dass diese nun in aller Munde sind, ist wiederum auf die Lithium-Ionen-Akkus und das Internet der Dinge zurückzuführen.

Das Internet der Dinge (auch: Internet of Things, IoT) vernetzt alles mit allem. Um zu funktionierten, ist dessen Infrastruktur auf eine sichere Stromversorgung angewiesen. Viele kleinere Geräte setzen hierbei auf die schon mehrfach erwähnten Li-Akkus. Diese können ausfallen, da die elektro-chemischen Prozesse im Inneren der Batterie Kristalle wachsen lassen, die einen Kurzschluss zur Folge haben können. Nicht ob, sondern wann dieser Defekt auftritt, ist die Frage. Dass Milliarden kleiner, miteinander vernetzter Geräte ausfallen können, gefährdet die Vision eines großen IoT-Kosmos.

Bei Festkörperbatterien entfällt dieses Risiko. Sie sind zudem sicherer (weil nicht brennbar), zuverlässiger und nachhaltiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Graphen-Akkus decken sich mit diesen Eigenschaften. Es ist aber nur eines von vielen Materialien, die in der aktuellen Forschung als vielversprechend gelten. Letztlich muss Graphen den bestmöglichen Kompromiss eines Eigenschaften-Fünfklangs erfüllen, den Prof. Dr. Kai Peter Birke von der Universität Stuttgart benennt: Energie- und Leistungsdichte bei maximaler Sicherheit sowie lange Lebensdauer bei geringsten Systemkosten.

Wo wir Graphen bald im Einsatz sehen

Eine Graphen-Wunderbatterie gibt es also nicht so schnell. Unternehmen wie Real Graphene aus den USA werben trotzdem mit dem Material. Auf den ersten Blick ist deren 10.000-mAh-Akku eine Revolution. So viel Energie in einem kleinen Akku!

Cleveres Marketing: Real Graphene produziert solche Clips, um mit Graphen-Vorteilen zu überzeugen. Nur: In den Akkus ist kaum etwas vom Wunderstoff verbaut. (Video: Real Graphene)

Auf den zweiten Blick ist das allerdings ein wenig Budenzauber: Real Graphene nutzt das Material, um mit zusätzlicher Kühlung den Output auf bis zu 22,3 W zu erhöhen und die eigentliche Li-Io-Batterie an Anode und Kathode gegenüber dem Dendriten-Wachstum zu schützen.

Mit cleverem Marketing ist es der Firma gelungen, sich als Pionier in dieser Technologiesparte zu inszenieren. Andere Unternehmen nutzen nur kleine Graphen-Layer von wenigen Quadratzentimetern, um mit dem Stoff werben zu können. Dass ausgerechnet jetzt Graphen-Batterien, -Cases und sonstiges Zubehör feilgeboten sind, ist kein Zufall.

Ob man Graphen nun aus australischen Eukalyptusbäumen gewinnt oder synthetisch im Labor herstellt: Die Preise fallen. Wie deutlich, das zeigt die Grafik von Graphenea.

Längst sind Hightech-Giganten wie Samsung, Huawei und Apple dazu übergegangen, den Stoff für ihre Produkte weiterzuentwickeln. Obwohl die Preise sinken, sehen wir Graphen aller Voraussicht nach zunächst in Smartphones und Elektronik am oberen Ende der Preisskala. Wann? Womöglich noch dieses Jahr in Prototypen und in den kommenden zwei Jahren in Geräten für die Endkunden.

Von dort aus ist es dann nur noch ein kurzer Sprung auf die günstigeren Smartphones, Laptops und Tablets. Hat sich das Material dort etabliert, zünden vielleicht die Graphen-unterstützten Akkus die nächste Stufe des Internets der Dinge.

Vielleicht ist Graphen dann schon keine Wundertechnologie mehr. Sondern alltäglich. So wie Smartphones, Navigationssysteme und (sehr bald) Elektroautos.

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