Patentportfolio durch neues Batteriepatent erweitert
PureGRAPH® als neue Lösung
Batterien haben in den letzten Jahren immer stärker an Bedeutung gewonnen. Dieser Trend wird sich auch in der Zukunft weiter fortsetzen. Dabei ist nicht nur wichtig, dass den Anwendern außerhalb der Stromnetze überhaupt elektrische Energie zur Verfügung steht, sondern dass diese erstens schnell und zweitens auch in immer größeren Mengen abgerufen werden kann.
Die zentrale Herausforderung für First Graphene und andere Forscher bei der Entwicklung der nächsten Batteriegeneration ist deshalb, einerseits die Lade- und Entladevorgänge zu beschleunigen, aber auch die generelle Speicherkapazität zu erhöhen. Der Vorteil einer höheren Energiedichte liegt dabei auf der Hand, denn es können entweder bei gleicher Leistung kleinere Batterien verbaut werden oder die Nutzungsdauer bis zum nächsten Ladevorgang kann erhöht werden.
Aus diesen Gründen setzt First Graphene auf Silizium
Eine interessante Lösung für dieses Problem könnte der Einsatz von Silizium sein. Aktuelle Kohlenstoffanoden zeichnen sich durch eine Energiedichte von 400 mAhg aus. Könnte in der Batterie jedoch Silizium zum Einsatz gebracht werden, wäre theoretisch eine Steigerung der Energiedichte auf bis zu 4.200 mAhg möglich.
Dies käme einem Quantensprung gleich und macht deutlich, warum Silizium als Speicher für elektrische Energie eine sehr attraktive Lösung darstellt. Auf dem Weg zur Realisierung dieses Traums sind aber noch einige technische Probleme zu lösen. Eines der Probleme ist die geringe Eigenleitfähigkeit des Siliziums.
Zwei weitere Herausforderungen stellen die langsame Diffusionsrate von Lithium innerhalb der Elektrode und seine erhebliche Volumenänderung dar. Sie setzt immer dann ein, wenn die Lithiumionen, die zur Übertragung der elektrischen Energie verwendet werden, in die Elektrode eintreten und sie anschließend wieder verlassen.
PureGRAPH® als neue Lösung für ein altes Akkuproblem
Eine Konsequenz dieser beständigen Änderung des Volumens ist, dass sie zu einer Degration der Siliziumelektrode führen. Dies hat einen irreversiblen Leistungsverlust des Speichers zur Folge. Bekannt ist dieser Effekt auch von Lithium-Ionen-Akkus, die mit der Zeit bei jedem Lade- und Entladevorgang an Speicherkapazität verlieren.Hier bilden sich beim Laden und Entladen auf der Elektrodenoberfläche Mikrostrukturen.
Sie wachsen mit der Zeit zu einer Größe an, die für die Elektronen nicht mehr zu überwinden ist. Man kann dies vergleichen mit einer Glasscheibe, die ungereinigt mit der Zeit so sehr verschmutzt, dass am Ende immer weniger Licht hindurchkommt.Für die Forschung besteht die Herausforderung deshalb darin, die Batterien der Zukunft so zu gestalten, dass diese eine bestimmte Anzahl von Lade- und Entladevorgängen ohne nennenswerten Kapazitätsverlust überstehen. Wünschenswert ist, dass nach mehr als 200 Zyklen immer noch 90 Prozent der änfänglichen Kapazität vorhanden sind.
Mit PureGRAPH® hält First Graphene den Schlüssel zur Lösung des Problems bereits in der Hand
Der von First Graphene gewählte Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Siliziumpartikel mit einer leitfähigen Schicht zu überziehen, die auch für die Lithiumionen noch durchlässig ist und die gleichzeitig verhindert, dass die strukturelle Degradation der Anode deren Kapazität zu schnell reduziert.
Als mechanisch starkes und zugleich leitfähiges und auch sehr dünnes Material bietet sich eine Beschichtung der Oberflächen der Siliziumpartikel mit Graphenen geradezu an. So weit, so gut. Die entscheidende Frage ist nur, wie bringt man das Graphen direkt auf der Oberfläche der geeigneten Partikel, in diesem Fall dem Silizium, auf.
Das neue Patent von First Graphene setzt exakt an dieser Stelle ein, denn es ermöglicht, PureGRAPH® direkt auf der Oberfläche des Siliziums abzulagern. Dazu benutzt es die Technologie der Kavitation, also die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen in Flüssigkeiten.
Das neue Patent schützt auch die Nutzung der Kavitationstechnologie
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es einfach und skalierbar ist. Es kann leicht verfügbare Ausgangsstoffe verwenden und diese bei Normaltemperatur aufbringen. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber gängigen Praktiken in der Industrie, die Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius erfordern. Zudem ist das Verfahren sauber und es entsteht als Nebenprodukt gasförmiger Wasserstoff.
Die Versuche, die im neuen Patent beschrieben werden und die zu seiner Erteilung geführt haben, beschreiben, wie Graphen auf der Oberfläche von Siliziumpartikeln synthetisiert werden kann und wie erheblich anschließend die elektrische Leitfähigkeit gesteigert wurde.
Welches noch ungehobene Potential für die Zukunft First Graphene an dieser Stelle mit dem neuen Patent in den Händen hält, wird deutlich, wenn ein kurzer Blick auf den Markt für Batterien mit Siliziumanoden geworfen wird. Von ihm wird erwartet, dass er bis zum Jahr 2027 weltweit auf 270 Millionen US-Dollar anwachsen wird.
Die technischen Einzelheiten des neuen Patents und der hinter ihm stehenden Technologie dürften gerade für Laien schwer zu verstehen sein. Doch jeder, der schon einmal seinen Laptop oder sein Smartphone abschalten musste, weil der Akku, weit entfernt von der nächsten Steckdose, vorzeitig schlapp gemacht hat, ahnt, welches gewaltige Potential hinter der revolutionären Technologie, dem neuen Patent und damit auch hinter First Graphene als dem forschenden Unternehmen steht.
