Graphen & Batterien

Die Batterietechnologie entwickelt sich rasant weiter, und Dutzende konkurrierender alternativer Chemien fordern die Dominanz von Lithium-Ionen-Batterien heraus

Graphen ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein vielversprechendes Material für den Einsatz in Batterien. Eine aktuelle Entdeckung von Forschern der Swansea University in Zusammenarbeit mit der Wuhan University of Technology und der Shenzhen University könnte den Weg für die Verwendung von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien ebnen und dazu beitragen, dass diese die dominierende Batterietechnologie gegenüber alternativen Chemikalien, einschließlich Graphen, bleiben -basierte Batterien.

Die Veröffentlichung der Forscher in Nature Chemical Engineering beschreibt das erste erfolgreiche Protokoll zur Herstellung defektfreier Graphenfolien im kommerziellen Maßstab. Mit der Methode lassen sich Graphenfolien in Längen von Metern bis Kilometern herstellen. In einer Laborumgebung, die nicht für die Massenproduktion ausgelegt war, gelang es ihnen, eine 200 Meter lange Graphenfolie mit einer Dicke von 17 Mikrometern herzustellen. Die Folie ist außerdem äußerst widerstandsfähig und behält nachweislich auch nach mehr als 100.000-maligem Biegen eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei, wodurch sie für den Einsatz in flexibler Elektronik, industrieller Fertigung und anderen Anwendungen geeignet ist, bei denen das Graphen zur Bereitstellung starker Ströme verwendet wird.

Die Anwendung, auf die sich die Forscher in ihrer Studie konzentrierten, ist die Verwendung der Graphenfolie als Stromkollektor in Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind einem zentralen Risiko ausgesetzt, dem sogenannten thermischen Durchgehen, das auftritt, wenn sich in einem Teil der Batterie übermäßige Hitze ansammelt, was zu einem Batterieausfall mit gefährlichen Bränden oder Explosionen führt. Dieses Problem ist einer der Hauptgründe dafür, dass viele Forscher und Batteriehersteller über Lithium-Ionen hinaus auf alternative Chemikalien wie Natrium-Ionen setzen. Viele alternative Lösungen werden erforscht, zum Beispiel Gelelektrolyte.

Thermisches Durchgehen geschieht meist an den Stromkollektoren der Batterie, wo die meiste Energie konzentriert ist. In aktuellen Lithium-Ionen-Batterien bestehen Stromabnehmer meist aus Aluminium oder Kupfer. Die von der Forschung entwickelten Graphen-Stromkollektoren können mit ihrer Graphenfolie eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1.400,8 W m−1 K−1 aufweisen. Als Referenz: Dies ist fast zehnmal höher als bei Stromabnehmern auf Kupfer- und Aluminiumbasis.

Da die Graphenfolie eine sehr schnelle Wärmeableitung aufweist, ist das Risiko einer lokalen Wärmekonzentration bei fließendem Strom ausgeschlossen. Dies wiederum beseitigt die Risiken aluminothermischer und Wasserstoffentwicklungsreaktionen, die die kritischen Schritte sind, die zur Ausbreitung des Batterieausfalls und der Brandgefahr führen.

„Unsere dichte, ausgerichtete Graphenstruktur bietet eine robuste Barriere gegen die Bildung brennbarer Gase und verhindert, dass Sauerstoff in die Batteriezellen eindringt, was für die Vermeidung katastrophaler Ausfälle von entscheidender Bedeutung ist.“

Dr. Jinlong Yang, Co-Hauptautor

Vielleicht noch wichtiger ist, dass sich die Methode bereits bei der Massenfertigung der Graphenfolie als anwendbar erwiesen hat. So könnte es schnell in bestehende Batterieherstellungsprozesse integriert werden.

„Dies ist ein bedeutender Fortschritt für die Batterietechnologie.“ Unsere Methode ermöglicht die Produktion von Graphen-Stromkollektoren in einem Maßstab und einer Qualität, die sich problemlos in die kommerzielle Batterieherstellung integrieren lassen. Dies verbessert nicht nur die Batteriesicherheit durch effizientes Wärmemanagement, sondern erhöht auch die Energiedichte und Langlebigkeit.“

Dr. Rui Tan, Co-Hauptautor

Die Forscher suchen bereits nach Möglichkeiten, die Dicke der Graphenfolien zu reduzieren und ihre mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern. In Zusammenarbeit mit einem anderen Forschungsteam der Swansea University unter der Leitung von Pr. untersuchen sie außerdem, wie die Graphenfolie dabei helfen könnte, bessere Durchflussbatterien und Natriumionenbatterien zu entwickeln. Serena Margodonnas Führung.

Wir haben zuvor über Waben-Lithium-Ionen-Batterien gesprochen, die das Risiko eines Batterieausfalls aufgrund von Dendritenwachstum beseitigen. Wenn dank Graphenfolie auch das thermische Durchgehen unterdrückt werden kann, könnten Lithium-Ionen-Batterien dadurch viel sicherer und langlebiger werden als die aktuelle Version.

Dies folgt insgesamt dem Muster, dass die meisten Innovationen in einer Nische der Batterietechnologie in anderen Designs einsetzbar sind und so zum schnellen Fortschritt der Branche beitragen.

(Mehr über Batterietechnologie erfahren Sie auch in unseren Artikeln „Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie“ und „Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterietechnologie im Versorgungsmaßstab“.)

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonGraphen & Batterien. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!