Innovative Technik zur Synthese hochentwickelter graphenbasierter Nanokomposite
Graphen kombiniert auf einzigartige Weise großartige mechanische Beständigkeit und Zugfestigkeit, eine große Oberfläche und hohe chemische Stabilität mit herausragender thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Eigenschaften, die dem Material ein außergewöhnliches Potenzial verleihen. Da es sich um eines der auf der Erde am häufigsten vorkommenden Elemente handelt, ist es auch wirtschaftlich interessant. Ein Bereich, in dem Graphen und Verbundstoffe auf Graphenbasis derzeit vielversprechend sind, sind Ersatzmaterialien für Elektroden in Energiespeichergeräten. Bis heute hat Graphen die Kapazität und Effizienz von Li-Ion-Batterien und Superkondensatoren beträchtlich erhöht. Es bestehen jedoch nach wie vor Hindernisse für eine flächendeckende Implementierung über unterschiedliche industrielle Anwendungen hinweg. Es fehlt an praktikablen Methoden für die kostengünstige Fertigung hochentwickelter Nanokomposite auf Graphenbasis im industriellen Maßstab. Dies liegt vor allem an den vielfältigen chemischen Umwandlungen, die durchgeführt werden müssen. Um dieses Problem zu überwinden, wurde im Rahmen des von der EU unterstützten Projekts GRAPHEEN Gnanomat beim Bau einer Pilotanlage für den Aufbau der Fertigung von Elektrodenmaterial für Energiespeichergeräte eine patentierte Technik eingesetzt. Darüber hinaus führte das Team auch ein Qualitätskontrollsystem ein, die Kommerzialisierung ist bereits im Gange. Von Labortests zur Pilotanlage und darüber hinaus Zunächst wurden im Rahmen des Projekts unterschiedliche laborbasierte Charakterisierungstechniken eingesetzt, um ein besseres Verständnis des Syntheseprozesses zu gewinnen, den die Nanomaterialien bei der Produktion durchlaufen. Eine große Herausforderung bestand darin, den Synthesemechanismus und die Probleme mit der Zyklenstabilität der Metalloxide – die zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Kohlenstoff eingesetzt werden – zu verstehen. Es ist kompliziert, alle Syntheseparameter, zum Beispiel Reduktion-Oxidation (Redox) für kurze Reaktionen zu kontrollieren“, sagt Projektkoordinatorin Dr. Alejandra Gracia. Anschließend wurden die Nanomaterialien auf ihre Eignung für Elektroden in Energiespeichergeräten getestet und das vielversprechendste für die Pilotanlage ausgewählt. Die grundsätzliche Herausforderung für die Fertigung von Energiespeichergeräten besteht darin, die elektrochemischen Parameter der Energiedichte (die Ladung, die ein Gerät speichern und anschließend abgeben kann), die Leistungsdichte (wie schnell das Gerät die Leistung abgeben kann) und den Lebenszyklus der Geräte zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten je generierter kWh zu verringern. In der Pilotanlage des Projekts GRAPHEEN wurde die patentierte Gnanomat-Technik verwendet, eine umweltfreundliche und sichere Einstufen-Technik für die Produktion hochentwickelter Nanokomposite auf Graphenbasis. Der Prozess der Hochskalierung wird in einem flüssigen Medium durchgeführt. Wenn die Eigenschaften der Produkte durch Kontrolle der Syntheseparameter bestimmt werden können, kann ein Verfahren eingesetzt werden, das keine hohen Drücke oder Temperaturen erfordert. Die verwendeten Lösungsmittel sind in der Industrie gängig und stellen keine Gefahr bezüglich Toxizität oder Volatilität dar. Zusätzlich wurden Qualitätskontrollmaßnahmen bei den Produktionszyklen der Anlage umgesetzt, um sicherzustellen, dass diese optimierten Nanomaterialien die erwarteten Marktstandards erreichten. „Diese relativ einfache, skalierbare und kostengünstige Art, hochentwickelte Nanokomposite auf Graphenbasis zu produzieren, hat das Potenzial, der Goldstandard zu werden“, sagt Dr. García. „Am Ende des Projekts entwickelten wir leistungsfähige Nanomaterialien mit guten elektrochemischen Reaktionen.“ Revolutionäres Potenzial Bei der Vielzahl an Aktivitäten, bei denen wir Menschen von Geräten zur Erzeugung und Speicherung von Energie abhängen, hat jedes Material, das mehr Effizienz und einen günstigeren Preis bietet, ein riesiges positives, revolutionäres Potenzial. Entscheidend ist, dass Nanokomposite durch Verbesserung der Fähigkeiten von erneuerbaren Energien, Elektrofahrzeugen oder elektronischen Geräten auch zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen können. Gegenwärtig befindet sich die Technologie nach wie vor im vorindustriellen Stadium. Um Fertigungs- und Montagefirmen eine marktfähige Lösung im großen Maßstab zur Verfügung stellen zu können, baut Gnanomat eine strategische Partnerschaft mit dem Werkstofftechnik-Unternehmen Versarien auf.
Schlüsselbegriffe
GRAPHEEN, Graphen, Nanokomposite, Leistung, Energiespeichergerät, Energie, elektrochemisch, Kohlenstoff, Batterien
