Graphen gilt wegen seiner einzigartigen elektronischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften als vielversprechendes Material für die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Die nun veröffentlichte Publikation „Graphene Roadmap Briefs (No. 4): innovation prospects for Li-ion batteries“ fasst dabei die wesentlichen Fortschritte und Herausforderungen in der Entwicklung und Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Batterien mit Graphen-Komponenten zusammen, wobei der Fokus auf Graphen-basierten Silizium-Anoden liegt. Die Publikation basiert auf zwei vom Fraunhofer ISI für die Graphene-Flagship-Initiative der EU ausgearbeiteten Technologie-Roadmaps, die aktuelle Entwicklungen und Trends für dieses Anwendungsfeld untersuchten.
Graphen kann Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Batterien verbessern
Die Ergebnisse unterstreichen etwa, dass Graphen als Zusatzstoff in Silizium-Kohlenstoff-Kompositen eine bis zu 30 Prozent höhere Energiedichte bei Batterien ermöglicht. Graphen könnte auch Vorteile für die Schnellladefähigkeit bieten und mithelfen, Ladezeiten zu verkürzen. Zudem ließe sich durch die Einarbeitung von Graphen in Siliziumanoden die Stabilität und damit die Lebensdauer und Nachhaltigkeit von Batterien weiter verbessern. Allerdings reicht die Stabilität von Siliziumanoden aktuell noch nicht an herkömmliche Graphitanoden heran.
Umgekehrt fehlt es bislang an kosteneffizienten Herstellungsverfahren für eine breite Marktanwendung von Graphen-basierten Batterien, und die Preise von Graphen und verwandten Materialien blieben in der Vergangenheit unerwartet hoch. Parallel verbessert sich die Performance von Lithium-Ionen-Batterien stetig, der Anteil von Elektrofahrzeugen wächst und der Aufbau europäischer Zellfertigungsanlagen schreitet weiter voran. Dies wiederum erhöht die Chancen zur Einführung neuer Materialien wie Graphen, insbesondere bei leistungsoptimierten Anwendungen.
„Wir beobachten ein kontinuierliches Interesse an Graphen-basierten Lösungen in der Batteriebranche, sehen aber auch, dass Lithium-Ionen-Batterien effizienter und in punkto Kosten und Performance stetig optimiert werden. Entscheidend für den Einsatz von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien ist, wie schnell sich Graphen-basierte Batteriekomponenten in industrielle Produktionsprozesse integrieren lassen und ob wir eine stabile und bedarfsgerechte Lieferkette aufbauen können“, erklärt Maximilian Stephan, Erstautor der Publikation. Und weiter: „Dafür braucht es koordinierte Strategien, um den wissenschaftlich belegten Nutzen auch industriell nutzbar zu machen.“
Mit Blick auf die Zukunft unterstreicht die Publikation, dass sich zahlreiche Start-ups und Unternehmen mit Ansätzen zur Graphen-Produktion beschäftigen, allerdings teilweise ganz unterschiedliche Strategien verfolgen: Manche setzen auf die Entwicklung kostengünstiger und großflächiger Produktionsmethoden für weniger reines Graphen. Andere Unternehmen zielen auf die Verwendung von hochreinem Graphen für spezifische Anwendungen, bei denen die Leistung den potenziell höheren Preis rechtfertigen kann. Was den zukünftigen Graphen-Preis anbelangt, sieht die Studie Potenzial für künftige Kostensenkungen durch Hochskalierung in der Produktion und verbesserte Herstellungsverfahren.
Zukunftsausblick und weitere Forschungsbedarfe
Trotz der vielen Herausforderungen schätzen die Autoren des Fraunhofer ISI eine künftige Marktdurchdringung von Graphen in der Batterietechnologie als möglich ein. Ein vielversprechendes Anwendungsfeld könnte sich in der Fertigung von Silizium-Graphen-Kompositen für Spezialbatterien ergeben, weil diese technologische Vorteile bieten und etwa die Leistung von Silizium-basierten Anoden verbessern können. Darüber hinaus wird Graphen als potenzieller Bestandteil für Lithium-Schwefel-Batterien erforscht, die langfristig eine Alternative zu herkömmlichen LIB darstellen könnten.
Die weitere Entwicklung hängt stark von der Forschung und industriellen Kooperationen ab, so die Autoren. Zunächst gilt es, die Marktreife von Graphen-basierten Komponenten und die Kommerzialisierung voranzutreiben und die Leistungsfähigkeit von Graphen im Vergleich zu alternativen Hochleistungsmaterialien fortlaufend zu evaluieren. Um die Marktdurchdringung zu erhöhen, ist zudem eine enge Zusammenarbeit zwischen Materialherstellern, Batterieproduzenten, der Automobilindustrie sowie der Forschung erforderlich. Höhere Preise könnten sich durch einen hohen Zusatznutzen und die Konzentration auf Hochleistungs-Anwendungen rechtfertigen lassen.
Als Fazit lässt sich festhalten: Graphen bleibt ein vielversprechendes Material für die Batterieindustrie, auch wenn der breite Markteintritt noch aussteht. Fortschritte in der Materialforschung und beim Aufbau einer europäischen Batterieproduktion und Wertschöpfungskette könnten mittelfristig den Weg für eine stärkere Nutzung ebnen. Sollte es gelingen, die Skalierbarkeit weiter zu verbessern, könnte Graphen schon in einigen Jahren eine wichtige Rolle als Batteriematerial zukommen.
