Batterietechnologie 08.04.2025, 14:30 Uhr

Wie und wann Graphen Lithium-Ionen-Batterien besser machen kann

Graphen kann Batterien besser machen, sein Einsatz aber ist schwierig. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung weiß, wie es besser geht.

Graphen kann Batterien leistungsfähiger machen. Warum sein Einsatz aber schwierig ist und wie sich das in Zukunft ändern könnte, weiß das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI). Foto: mauritius images / Science Photo Library

Graphen kann Batterien leistungsfähiger machen. Warum sein Einsatz aber schwierig ist und wie sich das in Zukunft ändern könnte, weiß das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI).

Foto: mauritius images / Science Photo Library

Graphen, ein Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, gilt als Wundermaterial: 200-mal stärker als Stahl, nur eine Atomlage dick, dehnbar bis 20 %. Dabei ist Graphen besser leitfähig als Kupfer und fast transparent. Auch die Batterieforschung hat das Material untersucht. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) zeigt  in einem Paper („Graphene Roadmap Briefs No. 4“) auf, dass die Technologie große Fortschritte erzielt hat.

Graphen kann Lithium-Ionen-Batterien leistungsfähiger und nachhaltiger machen

Ansatzpunkt dabei ist, die bisherige Graphitelektrode aus 100 % normalem Kohlenstoff in Lithium-Ionen-Batterien durch ein Silizium-Kohlenstoff-Komposit zu ersetzen, das Graphen enthält. Das ermöglicht eine bis zu 30 % höhere Energiedichte. Graphen, so das Fraunhofer ISI, könnte auch helfen, die Batterien schneller zu laden. Graphen würde die Silizium-Anode überhaupt erst salonfähig machen. Denn die sei, so das ISI, aktuell noch nicht so stabil wie herkömmliche Graphitanoden. Die Kombination aus Silizium und Graphen aber verbessert die Lebensdauer und Nachhaltigkeit der Batterien weiter

Trotzdem steckt Graphen noch längst nicht standardmäßig in allen Lithium-Ionen-Batterien, „der großflächige Einsatz von Graphen-basierten Batteriekomponenten ist herausfordernd“, schreibt das ISI. „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 Autor Maximilian Stephan. Sprich: Die Herstellverfahren sind noch zu teuer. Der Vorteil durch die höhere Energiedichte rechtfertigt offenbar bei kommerziellen Herstellern noch nicht den Einsatz der Technologie.

Es gibt schon Lithium-Ionen-Batterien mit Graphen, aber bald werden es deutlich mehr sein

Das Fraunhofer ISI schreibt, dass sich das bald ändern dürfte. Graphen wird in die Lithium-Ionen-Batterien Einzug halten. Die Autoren schätzen „eine künftige Marktdurchdringung von Graphen in der Batterietechnologie als möglich ein“. Die Performance von Lithium-Ionen-Batterien steige stetig, der Anteil von Elektrofahrzeugen wachse und der Aufbau europäischer Zellfertigungsanlagen schreite voran. „Dies wiederum erhöht die Chancen zur Einführung neuer Materialien wie Graphen, insbesondere bei leistungsoptimierten Anwendungen“, heißt es seitens Fraunhofer ISI. Überall dort also, wo Schnellladefähigkeit gefragt ist. Höhere Preise ließen sich dort rechtfertigen, wo es einen hohen Zusatznutzen gibt.

Stellenangebote im Bereich Energie & Umwelt

Energie & Umwelt Jobs
Stricker Dienstleistungs GmbH-Firmenlogo
Vertriebs- & Projektleiter (m/w/d/kA) Energy Stricker Dienstleistungs GmbH
Dortmund Zum Job 
TenneT-Firmenlogo
FACTS Ingenieur (m/w/d) TenneT
Bayreuth Zum Job 
Stern-Wywiol Gruppe GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Umweltmanager (m/w/d) / Environmental Manager Stern-Wywiol Gruppe GmbH & Co. KG
Hamburg Zum Job 
PFISTERER Kontaktsysteme GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Hochspannungstechnik - HVDC (m/w/d) PFISTERER Kontaktsysteme GmbH
Winterbach Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieur/in Bau und Ansprechpartner/in Abfall (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Bad Gandersheim Zum Job 
Universität zu Köln-Firmenlogo
Ingenieur*in Versorgungstechnik Universität zu Köln
TenneT TSO GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Elektrotechnik als Projektleiter Umspannwerke (m/w/d) TenneT TSO GmbH
Raum Südbayern (Oberpfalz, Niederbayern, Oberbayern) Zum Job 
Fachhochschule Kiel-Firmenlogo
W2-Professur für Elektrische Netze und Energiespeicher Fachhochschule Kiel
Die Autobahn GmbH des Bundes, Niederlassung Südbayern-Firmenlogo
Bauingenieur für Straßenplanung und -entwurf/ Immissionsschutz (m/w/d) Die Autobahn GmbH des Bundes, Niederlassung Südbayern
Kempten Zum Job 
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)-Firmenlogo
Referentin/ Referent (w/m/d) für Zuwendungsmaßnahmen und Wettbewerbe Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)
Helmholtz-Zentrum Hereon-Firmenlogo
Abfallbeauftragte (m/w/d) für konventionelle Reststoffe Helmholtz-Zentrum Hereon
Geesthacht (bei Hamburg) Zum Job 
RheinEnergie-Firmenlogo
Gruppenleiter Maschinen- und Verfahrenstechnik Kraftwerk (m/w/d) RheinEnergie
Hochschule Esslingen-Firmenlogo
Professor:in (W2) für das Lehrgebiet Klimatechnik Hochschule Esslingen
Esslingen am Neckar Zum Job 
Netzgesellschaft Potsdam GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) für Energieinfrastruktur und Bauvorschriften Netzgesellschaft Potsdam GmbH
Potsdam Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Ingenieurin oder Ingenieur Landespflege Planung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
AGR Abfallentsorgungs-Gesellschaft Ruhrgebiet mbH-Firmenlogo
Technischer Trainee (m/w/d) / Umwelt / Deponie / Bauingenieurwesen AGR Abfallentsorgungs-Gesellschaft Ruhrgebiet mbH
Biddle GmbH-Firmenlogo
Vertriebsingenieur HLK/TGA (m/w/d) als Key Account Manager Retail Biddle GmbH
Stadtwerke Augsburg Holding GmbH-Firmenlogo
Planer*in (m/w/d) PV-Anlagen Stadtwerke Augsburg Holding GmbH
Augsburg Zum Job 
naturenergie netze GmbH-Firmenlogo
Elektroingenieur Netzführung (m/w/d) naturenergie netze GmbH
Rheinfelden (Baden) Zum Job 
Stricker Dienstleistungs GmbH-Firmenlogo
Vertriebs- & Projektleiter (m/w/d/kA) Energy Stricker Dienstleistungs GmbH
Dortmund Zum Job 
Stricker Dienstleistungs GmbH-Firmenlogo
Vertriebs- & Projektleiter (m/w/d/kA) Energy Stricker Dienstleistungs GmbH
Dortmund Zum Job 
TenneT-Firmenlogo
FACTS Ingenieur (m/w/d) TenneT
Bayreuth Zum Job 
Stern-Wywiol Gruppe GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Umweltmanager (m/w/d) / Environmental Manager Stern-Wywiol Gruppe GmbH & Co. KG
Hamburg Zum Job 
PFISTERER Kontaktsysteme GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Hochspannungstechnik - HVDC (m/w/d) PFISTERER Kontaktsysteme GmbH
Winterbach Zum Job 

Das Fraunhofer ISI hatte 2024 den Markt für Graphen im Batteriesektor weltweit betrachtet. Die neuesten Zahlen damals waren von 2022 und in dem Jahr wurden im weltweiten Markt für Graphen im Batteriesektor rund 100 Mio. $ im Jahr umgesetzt. Die durchschnittliche Wachstumsrate, die erwartet wurde, lag zwischen 20 % und 30 %. Das ISI hatte damals viele Marktstudien zusammen betrachtet. Insgesamt lag der Umsatz mit Graphen weltweit 2022 bei 380 Mio. $. Die Prognosespanne, so das Fraunhofer ISI, hätte zwischen 50 Mio. $ und 1,1 Mrd. $ gelegen.

Graphen kann bei Lithium-Ionen-Batterien erfolgreich sein, wenn Industrie und Forschung eng kooperieren

Zahlreiche Start-ups und Unternehmen mit neuen Ansätzen würden sich mit der Graphenproduktion beschäftigen, so das Fraunhofer ISI. Allerdings: Hinter den vielen Ansätzen stecken ganz verschiedene technologische Strategien. „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“, heißt es beim Fraunhofer ISI.

Ob das wirklich etwas wird mit einer noch besseren und schnelleren Lithium-Ionen-Batterie dank Graphen, das, so das Fraunhofer-Institut, hänge stark von der Forschung und industriellen Kooperationen ab. Auch muss die Lieferkette für eine Herstellung erst einmal stehen. „Dafür braucht es koordinierte Strategien, um den wissenschaftlich belegten Nutzen auch industriell nutzbar zu machen“, so Maximilian Stephan. Forschung, Materialhersteller, Batterieproduzenten und Automobilindustrie müssten eng zusammenarbeiten.

Vielversprechende Anwendungsfelder sind laut Fraunhofer ISI einerseits Spezialbatterien, andererseits Lithium-Schwefel-Batterien. An denen wird derzeit weltweit als langfristige Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien geforscht. Was den zukünftigen Preis für Graphen angeht, könnten, wie bei jedem industriellen Prozess, eine Hochskalierung der Produktion und verbesserte Herstellungsverfahren die Kosten senken.

Ein Beitrag von:

  • Stephan W. Eder

    Stephan W. Eder

    Redakteur VDI nachrichten
    Fachthemen: Energie, Klimaschutz, Quantentechnologien

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.