OTCBB: GRXXF CSE: GRE Frankfurt: G0A (WKN: A2H5SL)
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Li-Ion Batterien

Graphit in Autos und Batteriezellen

Die wesentlichen Rohstoffe für Li-Ion Batterien verstehen

Im Jahre 2015 wurde von den Medien eine groβe Nachfrage nach Graphit für Li-Ion Batterien zur Verwendung in Elektrofahrzeugen vorhergesagt. Es wurde spekuliert, dass es Engpässe für Graphit geben könnte, da eine groβe Batterie für ein Elektrofahrzeug ungefähr 25 kg Graphit für die Li-Ion Anode benötigt. Obwohl Preis und Verbrauch gering sind, gibt es Anhaltspunkte dafür, dass die Nachfrage steigen wird.

Die Produktion von Graphit mit einem Reinheitsgrad von 99.99 Prozent zur Verwendung in Anoden ist teuer und bei der Herstellung fallen Abfallstoffe an. Die Endkosten sind daher nicht so sehr durch das Material bestimmt, sondern durch das Reinigungsverfahren. Aufgrund des aufwendigen Reingungsprozesses ist auch die Gewinnung von Graphit aus altem Li-Ion mittels Recycling keine Lösung.

Kohlenstoff und Graphit sind verwandte Stoffe. Graphit ist ein Kohlenstoff-Allotrop, also eine strukturelle Modifikation, die entsteht, wenn sich die Bestandteile auf andere Weise verbinden. Graphit ist die stabilste Form von Kohlenstoff. Diamanten, ein metastabiles Kohlenstoff-Allotrop, sind für ihre ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften bekannt, jedoch nicht so stabil wie Graphit, wobei Graphit gleichzeitig weich und formbar ist.

Das Wort „Graphit” geht auf das griechische Wort “Graphein” zurück. Graphit ist hitzebeständig, elektrisch leitfähig, wärmeleitend, chemisch passiv (korrosionsresistent) und leichter als Aluminium. Auβer in Li-Ion-Anoden wird hochwertiges Graphit auch für Brennstoffzellen, Solarzellen, Halbleiter, LEDs und Nuklearreaktoren verwendet.

Kohlenstofffasern sind lange dünne Fasern mit einem Durchmesser von 5–10µm, zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Die Kohlenstoffatome sind in einer mikroskopisch kleinen Kristallstruktur miteinander verbunden und verfügen über eine auβerordentliche Festigkeit. Sie werden ähnlich eines Stoffes verwoben und mit einer Polymermatrix vermischt, einer gehärteten Form von Kohlenstofffasern, die so fest wie Stahl ist, aber leichter. Diese Materialien werden in Golfschlägern und Fahrradrahmen verwendet, sowie anstelle von Aluminium als Karosserieteile für Autos und Flugzeuge. Die Boeing 787 und der Airbus 350X enthalten einen hohen Anteil von Kohlenstofffasern. Graphit für Batterien macht derzeit nur 5 Prozent der weltweiten Nachfrage aus.

Es gibt zwei Arten von Graphit: Naturgraphit, der aus Minen gefördert wird und synthetischer Graphit, der aus Petrolkoks hergestellt wird. Beide Arten Graphit werden für Li-Ion-Anoden verwendet, wobei synthetischer Graphit etwas häufiger verwendet wird (55 Prozent) als Naturgraphit.

Bisher bevorzugten Hersteller synthetischen Graphit, da dieser eine bessere Konsistenz und höheren Reinheitsgrad hat als Naturgraphit. Mittlerweile ändert sich dies jedoch, denn mit modernen chemischen Reinigungsprozessen und thermischer Behandlung kann natürlicher Graphit mit einem Reinheitsgrad von 99.9 Prozent erzeugt werden. Im Vergleich dazu liegt der Reinheitsgrad des synthetischen Equivalents bei 99.0.

Aufbereiteter Naturgraphit in Flockenform hat eine höhere kristalline Struktur und verfügt über bessere elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit als synthetisches Material. Ein Wechsel zu Naturgraphit würde die Produktionskosten senken, bei gleichbleibender oder besserer Li-Ion Leistung.

Unverarbeiteter Naturgraphit ist wesentlich preisgünstiger, und auβerdem umweltfreundlicher als synthetischer Graphit. Auβerdem ist Naturgraphit die Basis für Graphen, der Traum eines jeden Wissenschaftlers. Ende 2016 betrug der Marktanteil für Naturgraphit 60-65%, für synthetischen Graphit etwa 30% und für Alternativen wie Lithiumtitanat, Silikon und Zinn etwa 5%.

Graphen

Graphen ist ein Kohlenstoff-Allotrop in Form eines zweidimensionalen hexagonalen Gitters. Graphen besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen. Es ist biegsam, durchsichtig, lässt keine Feuchtigkeit hindurch, ist fester als Diamanten und leitfähiger als Gold. Experten zufolge ist Graphen ein Wunderstoff, der viele Produkte, unter anderem auch Batterien, verbessern wird.

Graphen-Anoden gelten als bessere Energiespeicher als Graphit-Anoden und versprechen eine zehnmal schnellere Ladezeit als diejenige, die derzeit mit Li-Ion erreicht werden kann. Die Kapazität dürfte sich noch verbessern, und eine längere Lebensdauer ist ein weiterer Punkt auf der Wunschliste, der noch nachgewiesen werden müsste.

Bei herkömmlichen Graphit-Anoden sammeln sich Lithium-Ionen auf der Oberfläche der Anode. Graphen bietet eine elegantere Lösung, indem es Lithium-Ionen durch die winzigen, nur 10-20 nm groβen Löcher der Graphenblätter passieren lässt. Dies verspricht eine optimale Speicherung und optimalen Betrieb. Es wird erwartet, dass derartige Batterien, sobald sie verfügbar sind, zehnmal mehr Energie speichern können als Li-Ion Batterien mit herkömmlichen Graphit-Anoden.

Weitere Verbesserungen im Hinblick auf Graphen werden erreicht, indem der Kathode Vanadiumoxid hinzugefügt wird. Im Experiment wird Batterien mit einer solchen Verbesserung zugeschrieben, in 20 Sekunden aufladbar zu sein und nach 1000 Zyklen noch über 90 Prozent Kapazität zu verfügen. Graphen wird auch in Superkondensatoren getestet, um die spezifische Energiedichte zu verbessern, sowie in Solarzellen.

Graphen ist ein Blatt puren Kohlenstoffs, das aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen besteht. Es ist biegsam, durchsichtig, lässt keine Feuchtigkeit hindurch, ist fester als Diamanten und leitfähiger als Gold. Jedes Kohlenstoffatom besitzt drei Elektronen, die sich an das nächste benachbarte Atom binden und so eine chemische Verbindung herstellen.

Wissenschaftler theoretisieren seit Jahrzehnten über die fantastischen Eigenschaften von Graphen, aber bisher gibt es noch keine kommerziellen Produkte, die eine ausschlieβliche Verwendung dieses scheinbaren Supermaterial vorsehen. Wahrscheinlich wurde Graphen unwissentlich seit Jahrhunderten in Bleistiften und anderen Produkten genutzt. Ein besseres Verständnis der Mechanismen von Graphen wird letztendlich zu verbesserten Produkten führen.

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Teslas Solardächer

Graphit in Batterien für Sonnenkollektoren

Batterien werden gebraucht werden, um die Solarenergie aus Teslas neuen Solardächern zu speichern, die bereits verkauft werden. Häuser mit Batterien als Energiespeicher werden die Nachfrage nach Graphit um das 1000-fache steigern. Solarenergiebatterien wird es in Zukunft in allen Haushalten geben. Graphit bietet ein bisher ungenutztes Potential im Hinblick auf die Effizienz von Photovoltaikzellen und die Energieversorgung während der Nachtstunden und bei ungünstigen Wetterlagen.

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Robotik

Graphit in der Robotik

Graphit wird in Zukunft immer häufiger verwendet werden. Graphit wird für die Batterien von Robotern benötigt, sowie für die Produktion der Roboter selbst, da Graphit leichter und stabiler als Stahl ist. Google-Gründer Larry Page und kluge Investoren investieren im groβen Umfang in Robotik und künstliche Intelligenz, da Robotik die Zukunft der Menschheit bestimmen wird. Bei der Massenproduktion von Robotern wird Graphit ein Teil der Lösung sein.

In den 1980er Jahren, als Amerikas Autohersteller fürchteten, von der japanischen Konkurrenz überrannt zu werden, überlegte man, ob die Rivalen mit “lichtloser” Herstellung geschlagen werden könnten. Die Idee beruhte darauf, Fabriken so sehr zu automatisieren, dass das Licht ausgeschaltet werden könnte, da Roboter die Autos eigenständig bauen würden. Dies wurde jedoch nie umgesetzt. Wie sich herausstellte, war der Erfolg der Japaner nicht auf Automatisierung zurückzuführen, sondern auf schlanke Produktionstechniken, die hauptsächlich auf menschlicher Arbeitskraft beruhten.

Viele der neuen Produktionsmethoden, die in dieser nächsten Revolution zum Einsatz kommen könnten werden mit weniger menschlicher Arbeitskraft in Fabriken auskommen. Dank besserer und geschickterer Roboter sind Produktionsabläufe ohne menschliche Mitarbeiter nun denkbar. FANUC, ein groβer japanischer Hersteller industrieller Roboter, hat einige seiner Fertigungsanlagen soweit automatisiert, dass diese wochenlang ohne Überwachung laufen können. Andere Abläufe, die in Fabriken Anwendung finden, da sie ohne menschliche Beteiligung auskommen, sind z.B. Laserschneidanlagen und Spritzguss, oder Maschinen zur additiven Fertigung, da diese auch ohne Überwachung Tag und Nacht drucken können.

Dennoch kommen Produktionsprozesse nicht ohne Menschen aus, auch wenn diese nicht unbedingt in der Fabrik selbst arbeiten. Maschinen müssen gewartet und programmiert werden. Maschinenführer können sich zum z.B. zum Maschinenmeister weiterbilden, die über eine gröβere Bandbreite an Fertigkeiten verfügen müssen. Bestimmte Aufgaben, wie z.B. der Zusammenbau von Teilen, bleiben auch weiterhin zu kompliziert, um von Robotern zufriedenstellend ausgeführt zu werden. Der Zusammenbau wird daher oft in Billiglohnländer ausgelagert.

Die Fähigkeit von Industrierobotern, Bauteile zusammenzusetzen, wird verbessert, aber dennoch sind Roboter teurer und menschliche Experten (die unter Umständen mehr kosten als die Roboter) werden weiterhin für den Aufbau und Betrieb gebraucht. Es wird noch lange dauern, bevor Menschen in einer Vielzahl von Herstellungsprozessen durch Roboter ersetzt werden können. Die Investition in Roboter kann sich für Massenproduzenten wie z.B. die Autoindustrie lohnen, die nach wie vor der gröβte Nutzer dieser Maschinen ist, aber selbst in stark automatisierten Autofabriken wird ein Groβteil der Endmontage von Menschen durchgeführt. Für kleine und mittlere Betriebe sind Roboter generell zu teuer und unflexibel.

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Entsalzungsanlagen

Graphit in Entsalzungsanlagen

Das neue Material, das von dem Maschinenbauingenieur Hadi Ghasemi (MIT) entwickelt wurde, besteht aus einer dünnen, zweilagigen Platte. Die untere Lage besteht aus schwammigem Kohlenstoffschaum, der gleichzeitig als Auftriebhilfe und Wärmeisolator dient und Solarenergie davon abhält, in die darunter gelegene Flüssigkeit zu gelangen. Die obere – aktive – Schicht besteht aus Graphitflocken, die mittels Mikrowellen abgeschält wurden. Die Mikrowellen bewirken, dass der Graphit Blasen bildet, „wie Popcorn“ wie Gang Chen es ausdrückt, ein anderer Forscher auf diesem Gebiet.

Wenn Sonnenlicht auf den Graphit trifft, entstehen heiβe Stellen („hot spots“), die mittels Kapillarkräften Wasser durch den Kohlenstoffschaum saugen. Wenn das Wasser die heiβen Stellen im Graphit erreicht, ist die Hitze ausreichend, um das Wasser verdampfen zu lassen. Der Wirkungsgrad des Materials ist abhängig von der Menge des auftreffenden Lichts. Bei einer Solarkonzentration (Intensität), die 10 mal so groβ ist wie die eines gewöhnlichen sonnigen Tags, wird 85% der Solarenergie in Dampf umgewandelt (vorausgesetzt, es ist genug Wasser vorhanden; der Vorgang kann keinen Dampf aus reiner Luft erzeugen). “Verschiedene Kombinationen von Materialien können für die beiden Schichten verwendet werden und so ein besserer Wirkungsgrad bei geringeren Konzentrationen erzielt werden,” sagt Ghasemi. Graphen gefällig?

Für diesen kleinen schwammigen Dampferzeuger gibt es eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten. Die lediglich geringe Sonneneinstrahlung, die erforderlich ist (10x kann leicht mit einer einfachen Linse oder einem Reflektor erzielt werden) bedeutet, dass dies eine ausgezeichnete Methode ist, sauberes Wasser zu gewinnen oder Geräte zu sterilisieren (Dampfsterilisation ist immer noch eine häufig angewendete Sterilisationsmethode). Entsalzung im groβen Umfang ist ein weiterer Anwendungsbereich, obwohl noch unklar ist, ob der Kohlenstoffschaum durch Salzkristalle verstopft werden könnte.

Die spannendste Möglichkeit ist jedoch die gute alte Energieerzeugung. In der heutigen Erzeugung von thermischer Energie mittels konzentrierter Sonnenenergie werden Fresnel-Linsen oder Parabolreflektoren benutzt, um Sonnenlicht um das bis zu 1000-fache zu konzentrieren. Wenn Dampf mit der Intensität von lediglich 10 Sonnen erzeugt werden kann, können die Systemkosten wahrscheinlich reduziert und der Wirkungsgrad insgesamt erhöht werden. Viel muss jedoch noch getan werden, bevor die Energieerzeugung auf dieser Weise revolutioniert werden kann. Bisher ist von MIT nicht viel mehr gekommen als ein „oh, damit kann man Dampf erzeugen!“ Wie bereits in Bezug auf Entsalzung erwähnt, ist es wahrscheinlich, dass dieses neue Material schnell mit Mineralienablagerungen verstopft (d.h. verunreinigt) werden könnte und so die Wirkung zunichte macht.

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