Forscher haben ein neues Kohlenstoffnetzwerk vorhergesagt, ähnlich wie Graphen, jedoch mit einer komplexeren Mikrostruktur, das zu leistungsfähigeren Batterien für Elektrofahrzeuge führen könnte. Graphen ist wohl die bekannteste ungewöhnliche Form von Kohlenstoff. Es gilt als potenzieller Wendepunkt für die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, und neue Herstellungsverfahren könnten zukünftig noch leistungsstärkere Batterien ermöglichen.
Graphen kann als Netzwerk von Kohlenstoffatomen betrachtet werden, wobei jedes Kohlenstoffatom mit drei benachbarten Kohlenstoffatomen verbunden ist und so winzige Sechsecke bildet. Die Forscher vermuten jedoch, dass neben dieser direkten Wabenstruktur auch andere Strukturen entstehen können.
Dieses neue Material wurde von einem Team der Universität Marburg und der Aalto-Universität in Finnland entwickelt. Sie lenkten Kohlenstoffatome in neue Richtungen. Das sogenannte Biphenyl-Netzwerk besteht aus Sechsecken, Quadraten und Achtecken und bildet damit ein komplexeres Gitter als Graphen. Die Forscher geben an, dass es daher deutlich andere und in mancher Hinsicht vorteilhaftere elektronische Eigenschaften aufweist.
Obwohl Graphen beispielsweise aufgrund seiner Halbleitereigenschaften geschätzt wird, verhält sich das neue Kohlenstoffnetzwerk eher wie ein Metall. Tatsächlich können die nur 21 Atome breiten Streifen des Biphenylnetzwerks als leitfähige Fäden für elektronische Bauelemente verwendet werden. Die Forscher wiesen darauf hin, dass Graphen sich selbst in dieser Größenordnung noch wie ein Halbleiter verhält.
Der Hauptautor sagte: „Dieses neuartige Kohlenstoffnetzwerk eignet sich auch hervorragend als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu den derzeitigen Graphen-basierten Materialien weist es eine höhere Lithiumspeicherkapazität auf.“
Die Anode eines Lithium-Ionen-Akkus besteht üblicherweise aus Graphit auf Kupferfolie. Sie besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die nicht nur für die reversible Einlagerung von Lithium-Ionen zwischen den Schichten unerlässlich ist, sondern auch dafür sorgt, dass dieser Vorgang über potenziell Tausende von Zyklen hinweg fortgesetzt werden kann. Dies macht sie zu einem hocheffizienten Akku mit langer Lebensdauer ohne Leistungsverlust.
Effizientere und kleinere Alternativen auf Basis dieses neuen Kohlenstoffnetzwerks können jedoch die Energiespeicherung in Batterien intensivieren. Dies könnte dazu führen, dass Elektrofahrzeuge und andere Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien kleiner und leichter werden.
Wie bei Graphen besteht die nächste Herausforderung darin, die großtechnische Herstellung dieser neuen Variante zu ermöglichen. Das aktuelle Herstellungsverfahren basiert auf einer extrem glatten Goldoberfläche, auf der kohlenstoffhaltige Moleküle zunächst verbundene hexagonale Ketten bilden. Durch nachfolgende Reaktionen verbinden sich diese Ketten zu quadratischen und achteckigen Strukturen, wodurch sich das Endprodukt von Graphen unterscheidet.
Die Forscher erklärten: „Die neue Idee besteht darin, angepasste molekulare Vorstufen zu verwenden, um Biphenyl anstelle von Graphen herzustellen. Das Ziel ist nun, größere Materialschichten herzustellen, um deren Eigenschaften besser verstehen zu können.“
Veröffentlichungsdatum: 06.01.2022
