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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.
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.
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