Graphen-Akkus vs. Lithium-Ionen-Akkus: Das Akkuwunder?
Lithium-Ionen-Akkus sind nützlich und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Aber sie sind auch in ihrer Leistung limitiert. Ein Nachfolger könnten Graphen-Akkus sein, die im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus zahlreiche Vorteile mit sich bringen. Welche genau das sind, das erfahren Sie im folgenden Artikel.
Graphen-Akkus vs. Lithium-Ionen-Akkus
Egal ob Smartphone, Smartwatch oder Tablet: Die Welt ist abhängig von leistungsstarken und günstigen Akkus, die die Geräte unseres täglichen Lebens mit Energie versorgen. Doch die weit verbreiteten Lithium-Akkus haben ihre Nachteile. Grund genug, sich die kommende Graphen-Akku-Technologie einmal genauer anzusehen.
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Kennen Sie das auch? Der Smartphone-Akku ist leer und das Aufladen dauert viel länger, als es einem lieb wäre. Genau das ist eines der Probleme von Lithium-Ionen-Akkus. Bei dieser Art von Energiespeicher müssen auch heute die Ladeleistungen noch begrenzt werden, um die Lebensdauer der Akkuzellen nicht unnötig zu verkürzen und einen frühzeitigen Defekt oder gar Gefahren zu vermeiden.
Die Folge sind Ladezeiten von in der Regel deutlich über einer Stunde, um ein Smartphone von 0% auf 100% zu laden. Durch moderne Ladetechnologien (QuickCharge, Power Delivery) versuchen die Hersteller die Ladezeiten immer weiter zu verkürzen. Am Ende bleibt die Lithium-Ionen-Technologie aber der begrenzende Faktor.
Graphen: Smartphone in Sekunden aufladen
Was wäre hingegen, wenn sich Akkus in nur wenigen Sekunden aufladen lassen würden? Nicht weniger als das verspricht die Graphen-Akkutechnologie. Um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen wir einen Blick auf die Unterschiede von Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) und Graphen-Akkus werfen.
Graphen ist ein künstlich hergestellter Werkstoff aus Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Graphit, auch Grafit genannt, handelt es sich um eine seltene zweidimensionale Verbindung von Atomen.
Man kann sich Graphen daher wie ein Gitter aus vielen wabenförmigen verbundenen Kohlenstoffatomen vorstellen, die genau ein Atom hoch sind.
Exakt dieses Zweidimensionalität verleiht Graphen seine außergewöhnlichen Eigenschaften. Nicht zu verwechseln ist Graphen mit Graphit. Graphit besteht zwar ebenfalls aus Kohlenstoff, besitzt jedoch eine dreidimensionale Struktur und ist beispielsweise aus der Bleistiftmine bekannt.
Neben seinen mechanischen Eigenschaften – Graphen ist erstaunlich stark – weist der erst 2004 entdeckte Werkstoff auch besondere elektrische Charakteristiken auf. Eine davon ist die extrem hohe Stromleitfähigkeit. Graphen leiten Strom zum Beispiel deutlich besser als Kupfer.
Diese Eigenschaft erlaubt es unter anderem Akkus auf Basis von Graphen herzustellen, die sich mit sehr großen Strömen aufladen lassen, ohne dass der Akku dabei Schaden nimmt. So können komplette Ladungen in wenigen Sekunden geschehen.
Graphen als Akkutechnologie – der Unterschied zu Li-Ion
Graphen wird als ein möglicher Werkstoff für so genannte Festkörperakkus gehandelt. Dabei könnten Akkus auf Graphen-Basis die elektrische Energie „direkt“ speichern.
Ein chemischer Vorgang, wie er dem Lithium-Ionen-Akku zugrunde liegt, entfällt damit. Das ist ein weiterer Grund, wieso Graphen-Akkus so gut mit extrem hohen Strömen umgehen können.
Außerdem gibt es bei der neuen Akkutechnologie keine chemischen Alterungserscheinungen. Li-Ionen-Akkus sind durchweg einer Alterung unterlegen. Diese bezieht sich sowohl auf den Elektrolyten (oft flüssig) und natürlich das Material der Anode und Kathode (Plus- und Minuspol im Inneren des Akkus).
Das so genannte Kristallwachstum kann bei alternden Lithium-Ionen-Akkus sogar irgendwann zu internen Kurzschlüssen innerhalb der Akkuzelle führen und macht diese unbrauchbar. Andere Alterungserscheinungen sorgen für ein Abnehmen der Akkukapazität über den Lebenszyklus des Akkus. Das kennt jeder, der sein Smartphone einige Jahre verwendet.
Graphen-Akkus sollen hingegen kaum einer Alterung unterlegen sein, da die chemischen Prozesse zur Speicherung und Abgabe der elektrischen Energie entfallen. Damit spielt die Lebensdauer von Graphen-Akkumulatoren also theoretisch eine untergeordnete Rolle. Das ist extrem wichtig für langlebige und zuverlässig Energiespeicher, die viele Jahre oder Jahrzehnte durchhalten sollen.
Graphen-Akku ist nicht gleich Graphen-Akku
Graphen-Akkus sind auch Ende 2020 noch nicht zu Preisen produzierbar, die für die Consumer Electronics Branche vertretbar oder interessant wären. Die Preise fallen aber stetig, sodass der Graphen-Akku auch in diesem Punkt irgendwann mit den Lithium-Ionen-Akkus in Konkurrenz treten wird.
Wichtig zu wissen ist jedoch, dass Graphen bereits heute zur Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt wird. Überall dort, wo Akkus sehr große Leistungen bereitstellen oder aufnehmen müssen, kann der Einsatz von Graphen zur Verstärkung der Anode oder Kathode, je nach Akkudesign, bereits große Verbesserungen bringen.
Das moderne Material verhindert hier die frühzeitige Abnutzung der Materialien während der chemischen Vorgänge beim Laden und Entladen des Li-Ionen-Akkus. Solche graphen-optimierten Akkus machen zum Beispiel auch heute schon in Smartphones Sinn, die mit hohen Ladeleistungen arbeiten.
Graphen ist aufgrund des großen Potenzials des Werkstoffes natürlich schon lange als Begriff in den Marketingabteilungen der Unternehmen angekommen. Viele dieser beworbenen „Graphen-Produkte“ setzen derzeit aber wohl vor allem auf Lithium-Ionen-Technologie mit Graphen-Optimierungen.
Als reine Graphen-Speicher stehen unterdessen aktuell vor allem so genannte Graphen-Superkondensatoren bereit, die Energie in einem elektrischen Feld speichern und sich insofern von herkömmlichen Akkus unterscheiden. Für Smartphones und andere Geräte, ist diese Form der Speicherung aber derzeit noch nicht wirklich zielführend.
In den kommenden Jahren dürfen wir aber definitiv interessante Entwicklungen in diesem Feld erwarten. Rund um die Welt wird an Verfahren geforscht und gearbeitet, Graphen immer günstiger herzustellen und natürlich die graphen-basierte Akkutechnologie weiterzuentwickeln.