Ist Graphen die Antwort auf die Transformation der Energieübertragung in der grünen Wirtschaft?
Superkondensatoren werden schnell zum leistungssteigernden Energiespeicher der Wahl für die weltweit wachsende Flotte von Elektrofahrzeugen, Industriemaschinen und elektronischen Konsumgütern. Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen könnten die verbesserte Energieübertragungsfähigkeit liefern, die für die zunehmende Elektrifizierung, Dekarbonisierung und Ökologisierung der Wirtschaft erforderlich ist.
First Graphene's (FGR) Weiterentwicklung seiner PureGRAPH®-Reihe graphenbasierter Produkte und die Erforschung, wie sie zur Verbesserung von Superkondensatoren – die elektrische Ladung speichern und liefern – verwendet werden können, könnten transformativ sein und die zellbasierte Energieübertragung revolutionieren mehrere Anwendungen.
Superkondensatoren werden normalerweise in Verbindung mit herkömmlichen Batterien verwendet, um Energiespitzen zu liefern oder eine intermittierende Stromversorgung zu glätten. Superkondensatoren sind eine Mischung aus der herkömmlichen Batterie auf Elektrolytbasis und dem Kondensator. Generell überzeugen sie durch hohe Leistungsdichte, schnelle Lade- und Entladerate, Langzeitstabilität und Sicherheitsfeatures.
In einem Superkondensator werden geladene Ionen auf der Oberfläche der Elektroden gespeichert und sind sofort einsatzbereit. Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Kondensatoren besteht jedoch darin, dass ein Elektrolyt verwendet wird, um die Ladung zwischen den Elektroden zu übertragen und auszugleichen.
Graphen kommt als wertschöpfender Inhaltsstoff in die Mischung
Graphen wurde als Alternative zu hochmodernen Materialien auf Kohlenstoffbasis in Betracht gezogen, die zur Ladungsspeicherung an den Elektroden von Superkondensatoren verwendet werden. Grund dafür ist die beeindruckende Oberfläche, die Graphen bietet. Je größer die Oberfläche, desto höher die Ladungsspeicherkapazität.[1]
Das Konzept der Zugabe von Graphen zu Superkondensatoren wurde erstmals von Meryl D. Stoller in ihrem Artikel Graphene-Based Ultracapacitors beschrieben, der 2008 von der American Chemical Society veröffentlicht wurde und seitdem fast 7.000 Zitate erhielt.
Stoller et. Al. erkannten, dass Graphen als geeigneter Ersatz für Kohlenstoffmaterial fungiert, eine hohe elektrische Leitfähigkeit bietet und das „aufregende Potenzial für Hochleistungsspeichergeräte für elektrische Energie basierend auf dieser neuen Klasse von Kohlenstoffmaterial“ demonstrierte.
Spulen wir mehr als ein Jahrzehnt vor, dann hat die Entwicklung von Superkondensatoren – sowohl mit als auch ohne Graphen – das Potenzial, die Energiespeicherung zu revolutionieren.
Nämlich durch das schnelle und effiziente Entladen und Wiederaufladen von elektrischem Strom
Energie, was sie zu einer idealen Option für eine Vielzahl von Anwendungen macht, von der Unterhaltungselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen (EVs).
Letzteres ist von besonderem Interesse. Das Aufkommen von Elektrofahrzeugen hat die Nachfrage nach Batterien – und damit auch nach Superkondensatoren – angekurbelt, da sich die Automobilindustrie hin zu einer umweltfreundlicheren Fahrzeugflotte bewegt.
Superkondensatoren bieten Elektrofahrzeugen eine Reihe von Vorteilen, darunter zusätzliche Leistungsabgabe, Glättung der Beschleunigung und regeneratives Bremsen.
Bis 2030 werden Elektrofahrzeuge voraussichtlich mehr als 60 % der weltweit verkauften Fahrzeuge ausmachen[2], was bedeutet, dass der Wunsch nach Verbesserung der oben genannten Eigenschaften sowie der Reichweite und Ladegeschwindigkeit wächst.
Erste Graphen-Forschung befasst sich mit kostengünstigen Alternativen
In Anbetracht der exponentiellen Nachfrage nach neuartigen Energiespeicherlösungen, die von der Schwerindustrie zur Elektrifizierung ihrer Fahrzeug- und Maschinenflotten, Haushaltsgeräteherstellern und Herstellern von Geräten, die mit dem Internet der Dinge verbunden sind, geteilt wird, erhöht First Graphene seine Investitionen in den Einsatz von Graphen bei der Energieerzeugung und Speichertechnik.
Ein kürzlich durchgeführtes Gemeinschaftsprojekt mit Professor Robert Dryfe und Dr. Andinet Ejigu von der School of Chemistry der University of Manchester hat gezeigt, dass Graphen die Abhängigkeit von seltenen (und teuren) Batteriemetalloxiden verringern und Superkondensatorzyklen eine erhebliche Langlebigkeit verleihen kann.
Die Materialien wurden für bis zu 10.000 Zyklen ohne Leistungseinbußen getestet, ein Signal dafür, dass die Zugabe von Graphen ihnen helfen kann, die erforderlichen Ziele für hohe Zyklen zu erreichen.
Im Hinblick auf die Kostensenkung haben Tests gezeigt, dass der Gehalt an Seltenmetalloxiden in Superkondensatoren möglicherweise um den Faktor vier reduziert werden kann.
Diese Technologie wurde auch zur Erforschung der Verwendung des Graphenmaterials von FGR als Elektrokatalysator für die Herstellung von grünem Wasserstoff angewendet.
Laufende Investitionen zur Optimierung der Technologie
Die Forschung von First Graphene wurde im Anschluss an die Superkondensator-Entwicklungsforschung fortgesetzt, die 2022 von Professor Mark Copley vom Wissenschafts-, Technologie- und Kooperationsarm der Warwick Manufacturing Group (WMG) der Warwick University durchgeführt wurde.
Weitere Studien wurden mit Professor Robert Dryfe zu Zyklustests und Optimierung des Metallverhältnisses durchgeführt.
Auf einer höheren Ebene liegt der Fokus auf der kontinuierlichen Optimierung der Partikelgröße von aktiven Graphenmaterialien, um die glatten Beschichtungen bereitzustellen, die innerhalb von Batterien und Superkondensatoren für Zellstabilität, Leistungszuverlässigkeit und einfache Herstellung erforderlich sind, möglicherweise zu einem niedrigeren Preis.
FGR setzt seine Investitionen in Energieerzeugungs- und Speicherlösungen fort.
Ein erheblicher Teil der Investitionen wird in die Entwicklung einer hohen Leistung fließen
Materialien für Superkondensatoren, wobei das Know-how in der Graphentechnologie genutzt wird, um effizientere und effektivere Energiespeicherlösungen zu schaffen.
Das Gesamtbild der Investition von FGR in dieses Segment – und insbesondere in Superkondensatoren – ist der aufstrebende globale Markt, der sich zu einer bedeutenden Wachstumschance entwickelt.
Laut Markets and Markets sollte der globale Superkondensatorsektor von 819 Millionen US-Dollar im Jahr 2020 auf 2,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 wachsen, was einer CAGR von 20,7 % im Prognosezeitraum entspricht.
Global Market Insights geht noch einen Schritt weiter und ermittelt, dass das weltweite Gesamtpotenzial für Superkondensatoren bis 2027 5 Milliarden US-Dollar erreichen wird[3].
Ein Großteil dieses Wachstums soll auf die gestiegene Nachfrage für den Einsatz in der EV-Produktion in der asiatisch-pazifischen Region – Südkorea, Japan, Thailand, China und Indien – zurückzuführen sein, die bereits einen klaren Vorsprung bei den Einnahmen auf dem Markt für Superkondensatoren hat.
Die Gelegenheit ist nicht auf Elektrofahrzeuge beschränkt
Das Wachstum des Marktes für Superkondensatoren wird durch mehrere Faktoren vorangetrieben, darunter die steigende Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen in der Schwerindustrie und Elektronik, die zunehmende Einführung erneuerbarer Energiequellen und ein zunehmender Fokus auf die Reduzierung von CO2-Emissionen.
Beispielsweise werden Superkondensatoren in Windkraftanlagen verwendet, um Unterbrechungen und Schwankungen der Windenergie auszugleichen, wodurch ihre Einspeisung in Netzsysteme effizienter wird. Sie können auch verwendet werden, um kurze Leistungsstöße bereitzustellen, die die Blattneigung in Millisekunden steuern, um den Ertrag zu verbessern und Schäden bei starkem Wind zu vermeiden.
Aus Sicht von Schwer- und Industriemaschinen profitieren Kräne, Hafenladegeräte, Muldenkipper, Bagger und andere Geräte bereits von Superkondensatoren. In militärischen Anwendungen ziehen Laser- und Projektilstartgeräte riesige Energiestöße aus der in Superkondensatorbänken gespeicherten Energie, um sie zu aktivieren.
Am kleineren Ende werden Superkondensatoren in einer Reihe von Konsumgütern verwendet – mobile Geräte, Funktransceiver, Solenoide, drahtlose Modems, Laptops und Kamerablitze.
Während also die Entwicklung von Superkondensatoren und die Rolle, die Graphen bei der Optimierung ihrer Leistung spielt, weitergeht, bedeutet ein klares prognostiziertes Nachfragewachstum, dass Unternehmen, die sich auf Ergebnisse der grünen Wirtschaft konzentrieren – wie First Graphene –, an der Spitze stehen, wenn es darum geht, Chancen im Zusammenhang mit der Dekarbonisierung zu nutzen.