Graphen & Batterien

Die Batterietechnologie entwickelt sich rasant weiter, und Dutzende konkurrierender alternativer Chemien fordern die Vorherrschaft von Lithium-Ionen-Batterien heraus

Graphene is a promising material for use in batteries due to its high electrical conductivity and thermal conductivity. A recent discovery by researchers at Swansea University, in collaboration with Wuhan University of Technology and Shenzhen University, could pave the way for the use of graphene in lithium-ion batteries, helping to keep them as the dominant battery technology over alternative chemistries, including graphene-based batteries.

Graphen ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein vielversprechendes Material für den Einsatz in Batterien. Eine aktuelle Entdeckung von Forschern der Swansea University in Zusammenarbeit mit der Wuhan University of Technology und der Shenzhen University könnte den Weg für die Verwendung von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien ebnen und dazu beitragen, dass diese die dominierende Batterietechnologie gegenüber alternativen Chemikalien, einschließlich Graphen, bleiben -basierte Batterien.

The researchers' publication in Nature Chemical Engineering details the first successful protocol for fabricating defect-free graphene foils on a commercial scale. The method can be used to create graphene foils in lengths ranging from meters to kilometers. In a laboratory setting not designed for mass production, they managed to create a 200-meter-long graphene foil with a thickness of 17 micrometers. The foil is also highly resistant and was demonstrated to retain high electrical conductivity even after being bent over 100,000 times, making it suitable for use in flexible electronics, industrial manufacturing, and other applications where the graphene is used to deploy powerful currents.

Die Veröffentlichung der Forscher in Nature Chemical Engineering beschreibt das erste erfolgreiche Protokoll zur Herstellung defektfreier Graphenfolien im kommerziellen Maßstab. Mit der Methode lassen sich Graphenfolien in Längen von Metern bis Kilometern herstellen. In einer Laborumgebung, die nicht für die Massenproduktion ausgelegt war, gelang es ihnen, eine 200 Meter lange Graphenfolie mit einer Dicke von 17 Mikrometern herzustellen. Die Folie ist außerdem äußerst widerstandsfähig und behält nachweislich auch nach mehr als 100.000-maligem Biegen eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei. Dadurch eignet sie sich für den Einsatz in flexibler Elektronik, industrieller Fertigung und anderen Anwendungen, bei denen das Graphen zur Bereitstellung starker Ströme verwendet wird.

The application that the researchers focused on in their study is the use of the graphene foil as a current collector in lithium-ion batteries. Lithium-ion batteries are vulnerable to a key risk, called thermal runaway, which happens when excessive heat accumulates in a part of the battery, leading to battery failure with dangerous fires or explosions. This issue is one of the key reasons many researchers and battery companies are looking beyond lithium-ion with alternative chemistries like sodium-ion. Many alternative solutions are being explored, for example, gel electrolytes.

Die Anwendung, auf die sich die Forscher in ihrer Studie konzentrierten, ist die Verwendung der Graphenfolie als Stromkollektor in Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind einem zentralen Risiko ausgesetzt, dem sogenannten thermischen Durchgehen, das auftritt, wenn sich in einem Teil der Batterie übermäßige Hitze ansammelt, was zu einem Batterieausfall mit gefährlichen Bränden oder Explosionen führt. Dieses Problem ist einer der Hauptgründe dafür, dass viele Forscher und Batteriehersteller über Lithium-Ionen hinaus auf alternative Chemikalien wie Natrium-Ionen setzen. Viele alternative Lösungen werden untersucht, beispielsweise Gelelektrolyte.

Thermal runaway mostly happens at the battery's current collectors, where the most power is concentrated. In current lithium-ion batteries, current collectors are usually made of aluminum or copper. The graphene current collectors developed by the research with their graphene foil can display a thermal conductivity as high as 1,400.8 W m−1 K−1. For reference, this is almost 10x higher than copper and aluminum-based current collectors.

Ein thermisches Durchgehen tritt meist an den Stromkollektoren der Batterie auf, wo die meiste Energie konzentriert ist. In aktuellen Lithium-Ionen-Batterien bestehen Stromabnehmer meist aus Aluminium oder Kupfer. Die von der Forschung entwickelten Graphen-Stromkollektoren können mit ihrer Graphenfolie eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1.400,8 W m−1 K−1 aufweisen. Als Referenz: Dies ist fast zehnmal höher als bei Stromkollektoren auf Kupfer- und Aluminiumbasis.

Because the graphene foil shows a very fast heat dissipation, it eliminates the risk of local heat concentration when the current is flowing. In turn, this removes the risks of aluminothermic and hydrogen-evolution reactions which are the critical steps leading to propagation of the battery failure and fire hazard.

Da die Graphenfolie eine sehr schnelle Wärmeableitung aufweist, ist das Risiko einer lokalen Wärmekonzentration bei fließendem Strom ausgeschlossen. Dadurch werden wiederum die Risiken von aluminothermischen Reaktionen und Wasserstoffentwicklungsreaktionen beseitigt, die die kritischen Schritte sind, die zur Ausbreitung des Batterieausfalls und der Brandgefahr führen.

“Our dense, aligned graphene structure provides a robust barrier against the formation of flammable gases and prevents oxygen from permeating the battery cells, which is crucial for avoiding catastrophic failures,”

„Unsere dichte, ausgerichtete Graphenstruktur bietet eine robuste Barriere gegen die Bildung brennbarer Gase und verhindert, dass Sauerstoff in die Batteriezellen eindringt, was für die Vermeidung katastrophaler Ausfälle von entscheidender Bedeutung ist.“

Dr Jinlong Yang, co-lead author

Dr. Jinlong Yang, Co-Hauptautor

Maybe more importantly, the method is already proven to be deployable with mass manufacturing of the graphene foil. So it could be quickly integrated into existing battery manufacturing processes.

Vielleicht noch wichtiger ist, dass sich die Methode bereits bei der Massenfertigung der Graphenfolie als anwendbar erwiesen hat. So könnte es schnell in bestehende Batterieherstellungsprozesse integriert werden.

“This is a significant step forward for battery technology. Our method allows for the production of graphene current collectors at a scale and quality that can be readily integrated into commercial battery manufacturing. This not only improves battery safety by efficiently managing heat but also enhances energy density and longevity.”

„Dies ist ein bedeutender Fortschritt für die Batterietechnologie. Unsere Methode ermöglicht die Produktion von Graphen-Stromkollektoren in einem Maßstab und einer Qualität, die problemlos in die kommerzielle Batterieherstellung integriert werden können. Dies verbessert nicht nur die Batteriesicherheit durch effizientes Wärmemanagement, sondern erhöht auch die Energiedichte und Langlebigkeit.“

Dr Rui Tan, co-lead author

Dr. Rui Tan, Co-Hauptautor

The researchers are already looking at ways to reduce the thickness of the graphene foils and further enhance their mechanical properties. They are also looking at how the graphene foil could help design better flow batteries and sodium-ion batteries, in collaboration with another research team at Swansea University, under Pr. Serena Margodonna’s leadership.

Die Forscher suchen bereits nach Möglichkeiten, die Dicke der Graphenfolien zu reduzieren und ihre mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern. In Zusammenarbeit mit einem anderen Forschungsteam der Swansea University unter der Leitung von Pr. untersuchen sie außerdem, wie die Graphenfolie dabei helfen könnte, bessere Durchflussbatterien und Natriumionenbatterien zu entwickeln. Serena Margodonnas Führung.

We previously discussed honeycomb lithium-ion batteries that remove the risk of battery failure from dendrite growth. If thermal runaway also can be suppressed thanks to graphene foil, this could make lithium-ion batteries much more safe and durable than the current version.

Wir haben zuvor über Waben-Lithium-Ionen-Batterien gesprochen, die das Risiko eines Batterieausfalls aufgrund von Dendritenwachstum beseitigen. Wenn dank Graphenfolie auch das thermische Durchgehen unterdrückt werden kann, könnten Lithium-Ionen-Batterien dadurch deutlich sicherer und langlebiger werden als die aktuelle Version.

This overall follows the pattern of most innovations in one niche of battery technology to be usable in other designs, helping feed the quick progress of the industry.

Insgesamt folgt dies dem Muster, dass die meisten Innovationen in einer Nische der Batterietechnologie in anderen Designs einsetzbar sind und so zum schnellen Fortschritt der Branche beitragen.

(You can also learn more about battery technology in our articles “The Future of Mobility – Battery Tech” and “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

(Weitere Informationen zur Batterietechnologie finden Sie auch in unseren Artikeln „Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie“ und „Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterietechnologie im Versorgungsmaßstab“.)