Kategorie: MINT

Material mit nützlichen Eigenschaften

Graphen, was ist das? Kohlenstoff. Allerdings nicht irgendeiner. Es ist ein 2-dimensionaler, wabenförmiger Kohlenstoff (anders als z. B. Graphit, das aus vielen Schichten besteht). Damit ist Graphen so etwas wie eine Folie aus Kohlenstoff. Die Stärke beträgt 0,3 Nanometer, d. h. es ist 100.000-mal dünner als menschliches Haar.

Vorteile: Leitfähigkeit (Strom & Wärme) und Flexibilität.

Forscher*innen am SAIT (Samsung Advanced Institute of Technology) haben es geschafft, daraus Graphenkugeln („Graphenbälle“) herzustellen: Um einen Nanopartikelkern aus einer Graphen-Siliziumoxid-Verbindung schichten sich weitere Schichten Graphen. Schließlich erhält das Ergebnis eine 3-dimensionale, popcornähnliche Form.

Graphen ist 200-mal stärker als Stahl. Es gilt als das stärkste Material der Welt. Dabei hat es ein sehr geringes Gewicht. Wie stabil ist es? Ein Elefant müsste auf einem spitzen Bleistift auf der Folie mit der Dicke von Frischhaltefolie balancieren, um sie zu löchern. Die Stabilität rührt von den negativ geladenen Eletronen her, die durch die positiv geladenen Kohlenstoffatome fließen. Der Ladungsunterschied bewirkt eine starke elektrostatische Anziehung.

Ein Fußballfeld-großes Stück Graphenfolie wiegt weniger als ein Gramm. Krass.

Anwendungsfall Akku

Die Idee, dieses Konstrukt als Ersatz für herkömmliche Akkutechnologie einzusetzen, besteht daraus, diese kugelartigen Gebilde an der Kathode bzw. Anode von Li-Ionen-Akkus zu ölatzieren. Die Graphenbälle fungieren dann als Schutzmantel für nickreiche Kathoden. So soll die Langlebigkeit erhöht werden. Problem dahinter: Beim Aufladen kommt es zum Abbau der Schichtstruktur. Das liegt an der Chemie. Durch den Graphenmantel soll dieser Abbau verringert werden, die Grenzflächenstsbilität mit den Elektrolyten wird verbessert. Eletrolyte sind das Medium, das die Ionen zwischen Anode, Kathode und Elektronen wandern lässt.

Die Leitfähikgeit der Elektrode wird mit Graphen stärker. Auch das führt wiederum zur einer höheren Langlebigkeit. Außerdem können solche Akkus schneller wieder aufgeladen werden: 12 bis 30 Minuten für eine Ladung statt aktuell ca. 15 Min. für die erste Hälfte der Ladung und einer noch langsameren Ladezeit für die restliche Hälfte.

Wird neben der Kathode noch die Anode graphen-verschichtet, so verbessert das die Akkus weiter, was sich vor allem in einer verbesserten Lebensdauer zeigt: 78,6 % der Kapazität konnten nach 500 Ladezyklen bie 5 Coloumb und 60 °C nachgewiesen werden. Herkömmliche Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Akkus mit Graphit lagen nach weniger als 25 Ladezyklen nur noch bei 10 % ihrer Kapazität.

Anwendung

Diese Art herkömmlicher Akkus ist u. a. in Fahrzeugen zu finden. Das macht das erforschte Prinzip nicht nur für Handys, sondern auch für die Autobranche natürlich sehr interessant.

Die Folieneigenschaft von Graphen eignet sich für den Einsatz in Bildschirmen. Forscher*innen des FEP (Fraunhofer Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik) haben laut einer Pressemitteilung vom 11. Jan. 2017 OLED-Elektroden aus Graphen herstellen können.

Quelle: ak[due]ll (Printausgabe), Uni Duisburg-Essen, Februar 2020

Mehr Infos:
www.giga.de/extra/forschung-und-wissenschaft/news/fraunhofer-graphen-oled-unzerbrechliche-displays-touchscreen-erfolg

 Maria