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Das Potenzial von Graphen für erneuerbare Energiesysteme

Das Potenzial von Graphen für erneuerbare Energiesysteme

Die Struktur von Graphen [Bild:UCL Mathematik und Physik, Flickr]

Anfang dieses Jahres, Ende Januar, gaben die Universitäten Manchester und Abu Dhabi ihre Absicht bekannt, an einem Projekt zur Herstellung von Schaum mit Graphen zusammenzuarbeiten, einem Material, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einem Wabengitter angeordnet sind, das jedoch zehnmal stärker als Stahl ist 1000-mal leichter als ein Blatt Papier pro Flächeneinheit.

Graphen wurde erstmals 2004 in einem Labor an der Universität Manchester entdeckt, nachdem Wissenschaftler jahrelang versucht hatten, eine einzelne Kohlenstoffschicht herzustellen und viel zu theoretisieren. Es wurde 1962 mit einem Elektronenmikroskop beobachtet. Die Professoren Andre Geim und Konstantin Novoselov verwendeten ein Verfahren namens ' Klebebandtechnik “, bei der Klebeband wiederholt verwendet wurde, um Graphenschichten von einem Graphitstück abzuziehen, bis nur noch eine einzige Atomschicht übrig war. Dies brachte den beiden Wissenschaftlern 2010 einen Nobelpreis ein.

In naher Zukunft könnte Graphen möglicherweise für elektrische Komponenten und andere Gegenstände wie Sensoren, Batterien, Verbundwerkstoffe, Ionenaustauschermembranen und andere Produkte verwendet werden. Das Forschungsteam konzentriert sich auf drei Projekte mit Graphen und zweidimensionalen Materialien, die in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden können. Eines der Projekte wird eine kostengünstige Tintenstrahldrucktechnik für den Bau von Mikrosensoren entwickeln. Diese könnten dann im Energiesektor und für militärische Anwendungen eingesetzt werden. Ein weiteres Projekt wird das Potenzial für die Verwendung von Graphen bei der Wasserentsalzung untersuchen.

Professor Brian Derby von der Universität Manchester erklärte im Gespräch mit The Engineer, dass der Vorteil der Verwendung von Graphen in Batterieelektroden, um nur ein Beispiel zu nennen, darin besteht, dass es eine sehr große Oberfläche hat und dennoch nur ein Atom dick ist. Damit das Material jedoch nützlich ist, müssen die atomdicken Schichten in ein 3D-Objekt gepackt werden. Aus diesem Grund werden die Forscher versuchen, Schaum aus Graphen herzustellen, um Möglichkeiten zu entwickeln, das Material so zu verpacken, dass sie im Weltraum zusammengebaut werden können, aber ihre Oberfläche so weit wie möglich halten. Das Team hofft auch, Verbundwerkstoffe zu entwickeln, in denen Graphenflocken in einer Polymermatrix dispergiert sind, wodurch ein starker, aber immer noch bearbeitbarer Verbundwerkstoff entsteht.

Graphenforschung an der University of Exeter, UK [Bild:Universität von Exeter, Flickr]

Wie könnte Graphen dem Sektor der erneuerbaren Energien zugute kommen?

Im Jahr 2011 stellten Ingenieure der Northwestern University fest, dass Graphenanoden die Energie besser halten als Graphit, wodurch eine zehnmal bessere Batterieladung ermöglicht wird. Mögliche Anwendungen sind die Verwendung in Elektrofahrzeugen. 2013 sagten Forscher der Rice University in Texas voraus, dass Graphen unter Zusatz einiger Boratome zur Herstellung einer ultradünnen flexiblen Anode für Lithiumionenbatterien verwendet werden könnte. Das Bor hilft den Lithiumionen, am Graphen zu haften, wodurch eine schnelle Aufladung erreicht wird. Aus diesem Grund wurde die Forschung der Rice University in Zusammenarbeit mit Honda durchgeführt, einem der vielen Fahrzeughersteller, die derzeit neue EV-Modelle herstellen. Andere Unternehmen wie Kia und Hyundai haben Interesse an dem Material gezeigt. Beide Unternehmen haben Patente für die Verwendung von Graphen in Brennstoffzellen angemeldet.

Die Forscher der Rice University fanden auch heraus, dass mit Vanadiumoxid vermischtes Graphen verwendet werden kann, um kostengünstige Hochleistungskathoden zu entwickeln, die in 20 Sekunden wieder aufgeladen werden können und nach ausgiebiger Verwendung mehr als 90 Prozent ihrer Kapazität behalten. Graphen kann auch für Superkondensatoren verwendet werden, und UCLA-Forscher haben herausgefunden, dass es auf eine DVD beschichtet werden kann. Ein DVD-Brenner kann dann verwendet werden, um Millionen von Superkondensatorschaltungen in die Graphenschicht einzuschreiben, die anschließend abgezogen und von jedem verwendet werden können, der eine Super-Batterie benötigt. Wissenschaftler in Schweden haben auch entdeckt, dass Maghemit, eine Art Eisenoxid ähnlich wie rotes Erz, Graphen zugesetzt werden kann, wodurch es zu einem Nanoscroll aufgerollt wird. Diese können dann als Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Professor Forsyth von der School of Electrical and Electronic Engineering der Universität Manchester glaubt, dass Graphen dazu beitragen kann, die Effizienz von Elektrofahrzeugen zu steigern, indem es das Gewicht von Batterien reduziert, die derzeit etwa 200 Kilogramm wiegen können. Dies würde auch dazu beitragen, die Reichweite von Elektrofahrzeugen über 100 Kilometer hinaus zu erweitern, wobei die Reichweitenangst derzeit der Hauptfaktor ist, der ihre Aufnahme verzögert. Die Verwendung von Graphen in Batterien könnte jedoch auch den Energiespeichersektor ankurbeln, da die Universität Manchester selbst auf ihrem Campus ein Batterie- und Konvertersystem im Netzmaßstab getestet hat.

Mercedes SLS AMG E-Zelle auf dem Genfer Autosalon [Bild:Cedric Ramirez, Flickr]

In Bezug auf Solar-PV kann Graphen zur Entwicklung von Antireflexionsbeschichtungen für Solarzellen verwendet werden. Forscher in Indien haben herausgefunden, dass das Material das Reflexionsvermögen in der Nähe des ultravioletten Teils des Sonnenspektrums von 35 Prozent auf nur 15 Prozent reduzieren kann. Silvija Gradečak vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ebenfalls festgestellt, dass Graphen in PV-Zellen eine höhere Energieumwandlungseffizienz liefern kann, während andere Forscher der Michigan Technological University herausgefunden haben, dass Graphen Platin in Solarzellenelektroden ohne Effizienzverlust ersetzen kann.

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Eine weitere mögliche Verwendung des Materials ist der Ersatz von Indiumzinnoxid (ITO) in Solarzellen. Dies ist ein Material, das selten und teuer ist. Es wird derzeit für transparente Elektroden verwendet, ist aber auch sehr spröde. MIT-Wissenschaftler hoffen, eine neue Solarzelle aus Graphen und Molybdändisulfid entwickeln zu können, die zu einer Solarzelle führt, die dünn und leicht ist und einen 1000-mal höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Siliziumplatten aufweist.

In Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEVs) könnte Graphen dazu beitragen, die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff zu senken, was wiederum zu mehr Wasserstoff-Tankstellen führen würde, da die Verarbeitungskosten niedriger sind. Mit Stickstoff dotiertes und mit Kobalt angereichertes Graphen wurde von Wissenschaftlern der Rice University als wirksamer und dauerhafter Katalysator für die Wasserstoffproduktion aus Wasser erwiesen, der teures Platin ersetzt.

Bisher scheinen die beiden Hauptanwendungen von Graphen für erneuerbare Energien Solarzellen und Batterien für Elektrofahrzeuge zu sein, obwohl der Gesamtmarkt für das Material für Halbleiter, Elektronik, Batterien und Verbundwerkstoffe jetzt mehr als 9 Millionen US-Dollar beträgt.

Das geplante neue Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) der Universität Manchester [Bild:Manchester University]

Großbritannien rast jetzt voran, und die Universität Manchester ist auf dem besten Weg, ein zweites spezialisiertes Graphen-Forschungszentrum zu errichten, dem gerade am 15. die Baugenehmigung erteilt wurdeth Februar. Das Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) wird sich auf die branchenführende Entwicklung und Anwendung von Graphenprodukten konzentrieren und mit dem National Graphene Institute (NGI) und dem vorgeschlagenen Sir Henry Royce Institut für fortgeschrittene Materialforschung zusammenarbeiten, um die Entwicklung von Graphen zu ermöglichen Erste Forschungen zu Endprodukten, wodurch Manchester zu einem weltweit führenden Zentrum für Graphenforschung wird. Der Schwerpunkt wird auf der Verbesserung der derzeit vorhandenen Materialien und der Erschließung neuer Märkte liegen, wobei die Finanzierung des GEIC größtenteils durch das Unternehmen für erneuerbare Energien Masdar aus Abu Dhabi und den Higher Education Funding Council für den britischen Investment Partnership Investment Fund (UKRPIF) in England bereitgestellt wird. Das Zentrum soll bis Ende 2017 fertiggestellt sein.


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