Forscher haben ein neues Kohlenstoffnetzwerk vorhergesagt, das Graphen ähnelt, aber eine komplexere Mikrostruktur aufweist und zu besseren Batterien für Elektrofahrzeuge führen könnte. Graphen ist wohl die bekannteste besondere Form von Kohlenstoff. Es wird als potenzielle neue Spielregel für die Lithium-Ionen-Batterietechnologie angesehen, doch neue Herstellungsverfahren könnten letztendlich auch leistungsstärkere Batterien hervorbringen.
Graphen kann als Netzwerk aus Kohlenstoffatomen betrachtet werden, wobei jedes Kohlenstoffatom mit drei benachbarten Kohlenstoffatomen verbunden ist und so winzige Sechsecke bildet. Die Forscher spekulieren jedoch, dass neben dieser direkten Wabenstruktur auch andere Strukturen erzeugt werden können.
Dies ist das neue Material, das ein Team der Universität Marburg und der Aalto-Universität in Finnland entwickelt hat. Sie lenkten Kohlenstoffatome in neue Richtungen. Das sogenannte Biphenyl-Netzwerk besteht aus Sechsecken, Quadraten und Achtecken und ist damit komplexer als Graphen. Die Forscher erklären, dass es daher deutlich andere und in mancher Hinsicht günstigere elektronische Eigenschaften aufweist.
Obwohl Graphen beispielsweise für seine Halbleitereigenschaften geschätzt wird, verhält sich das neue Kohlenstoffnetzwerk eher wie ein Metall. Tatsächlich können die Streifen des Biphenylnetzwerks mit einer Breite von nur 21 Atomen als leitfähige Fäden für elektronische Geräte verwendet werden. Sie wiesen darauf hin, dass sich Graphen in dieser Größenordnung immer noch wie ein Halbleiter verhält.
Der Hauptautor sagte: „Dieses neuartige Kohlenstoffnetzwerk eignet sich auch hervorragend als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu aktuellen Materialien auf Graphenbasis verfügt es über eine höhere Lithium-Speicherkapazität.“
Die Anode einer Lithium-Ionen-Batterie besteht üblicherweise aus Graphit auf Kupferfolie. Sie verfügt über eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die nicht nur für die reversible Platzierung von Lithium-Ionen zwischen den Schichten wichtig ist, sondern auch dafür, dass sie diese Funktion über potenziell Tausende von Zyklen hinweg aufrechterhält. Dies macht sie zu einer hocheffizienten Batterie, die aber auch lange hält, ohne dass ihre Leistung nachlässt.
Effizientere und kleinere Alternativen auf Basis dieses neuen Kohlenstoffnetzwerks können jedoch die Energiespeicherung in Batterien intensivieren. Dadurch könnten Elektrofahrzeuge und andere Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien kleiner und leichter werden.
Wie bei Graphen besteht die nächste Herausforderung jedoch darin, herauszufinden, wie diese neue Version in großem Maßstab hergestellt werden kann. Die derzeitige Herstellungsmethode basiert auf einer superglatten Goldoberfläche, auf der kohlenstoffhaltige Moleküle zunächst verbundene hexagonale Ketten bilden. Nachfolgende Reaktionen verbinden diese Ketten zu quadratischen und achteckigen Formen, wodurch sich das Endergebnis von Graphen unterscheidet.
Die Forscher erklärten: „Die neue Idee besteht darin, angepasste molekulare Vorläufer zu verwenden, um Biphenyl anstelle von Graphen herzustellen. Ziel ist es nun, größere Materialschichten herzustellen, um dessen Eigenschaften besser zu verstehen.“
Beitragszeit: 06.01.2022
