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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
GEBHARDT Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Project Manager Intralogistics Automation (m/w/d) GEBHARDT Fördertechnik GmbH
Waldbüttelbrunn, Weiden in der Oberpfalz, Sinsheim, Karlsruhe-Durlach Zum Job 
Rhein-Sieg Netz GmbH-Firmenlogo
Ingenieur Netzentwicklung (m/w/d) Rhein-Sieg Netz GmbH
Siegburg Zum Job 
HNVG  Heilbronner Versorgungs GmbH-Firmenlogo
Teamleiter Planung Anlagen (m/w/d) HNVG Heilbronner Versorgungs GmbH
Heilbronn Zum Job 
KEMNA BAU Andreae GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Bauleitung (m/w/d) KEMNA BAU Andreae GmbH & Co. KG
Hannover Zum Job 
Brodbeck Service und Verwaltung GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Applikationsbetreuer (m/w/d) Brodbeck Service und Verwaltung GmbH & Co. KG
Metzingen Zum Job 
DTU Nanolab-Firmenlogo
Head of Thin Film Processing (f/m/d) DTU Nanolab
Kongens Lyngby Zum Job 
Hofmann Maschinen- und Anlagenbau GmbH-Firmenlogo
Zerspanungsmechaniker (m/w/d) Fachrichtung Schleiftechnik Hofmann Maschinen- und Anlagenbau GmbH
Universität zu Köln-Firmenlogo
Projektingenieur*in (TGA) im Bereich Elektrotechnik (w/m/d) Abteilung 53 - Technisches Gebäudemanagement Universität zu Köln
Maximator Hydrogen GmbH-Firmenlogo
Elektrokonstrukteur EPLAN P8 - Anlagenbau (m/w/d) Maximator Hydrogen GmbH
Nordhausen Zum Job 
UCG United Consulting Group GmbH-Firmenlogo
(Junior) IT Consultant / Unternehmensberater (w/m/d) UCG United Consulting Group GmbH
Frankfurt am Main Zum Job 
Stadtverwaltung Gera-Firmenlogo
Projektingenieure (m/w/d) Stadtverwaltung Gera
WOLFF & MÜLLER-Firmenlogo
Oberbauleiter Hochbau (w/m/d) WOLFF & MÜLLER
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Konstruktion und Entwicklung (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Autoland AG-Firmenlogo
Oberbauleiter Tiefbau / Dipl. Ing. Tiefbau (m/w/d) Autoland AG
Sandersdorf-Brehna Zum Job 
Tröger & Cie. Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Inhouse Application Consultant (m/w/d) Tröger & Cie. Aktiengesellschaft
Dortmund Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleitung (m/w/d) Bau und Erhaltung Strecke Die Autobahn GmbH des Bundes
Technische Hochschule Augsburg-Firmenlogo
Professur (W2) für Nachhaltigkeit und Digitalisierung in Produktionsprozessen Technische Hochschule Augsburg
Augsburg Zum Job 
EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG-Firmenlogo
OT Specialist / Operational Technology Engineer (w/m/d) EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG
TenneT-Firmenlogo
Servicetechniker Instandhaltung Umspannwerke (m/w/d) TenneT
Bayreuth Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
Senior R&D Electronic Engineer (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster 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 ist Technik- und Wissenschaftsjournalist mit den Schwerpunkten Energie, Klima und Quantentechnologien. Grundlage hierfür ist sein Studium als Physiker und eine anschließende Fortbildung zum Umweltjournalisten.

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.