Wissenschaftler hält eine transparente Folie, auf der die Gitterstruktur des Graphens und ein Bild zu sehen sind.

Graphen-Akkus in Elektroautos

Bei der Akzeptanz von Elektromobilität sind Reichweite und Ladezeiten zentrale Faktoren. Alle sind deshalb auf der Suche nach dem „Super-Akku“. Als ein Kandidat wird immer wieder der Graphen-Akku ins Gespräch gebracht. Aber wie reif ist diese neue Technologie? (Bild: Adobe Stock)

Bei der Akzeptanz von Elektromobilität sind Reichweite und Ladezeiten zentrale Faktoren. Alle sind deshalb auf der Suche nach dem „Super-Akku“. Als ein Kandidat wird immer wieder der Graphen-Akku ins Gespräch gebracht. Aber wie reif ist diese neue Technologie? (Bild: Adobe Stock)

Das und mehr erfahren Sie hier über Akkus auf Graphenbasis:

  • Graphen-Batterien sind Lithium-Ionen-Akkus, an deren Anode Graphen eingesetzt wird.
  • Graphen ist das dünnste und leichteste bekannte Material und hat eine sehr gute Leitfähigkeit.
  • In Akkus soll es dafür sorgen, dass sie schneller laden und leichter sowie kompakter sind.
  • Graphen-Akkus befinden sich noch im Laborstatus.

Gleich mehrere Hersteller haben Graphen-Akkus für Smartphones, aber auch für E-Autos in Aussicht gestellt, die – je nach Kapazität – innerhalb von 20 Minuten vollgeladen sein bzw. innerhalb von acht Minuten auf 80 Prozent Ladung kommen sollen. Auch wenn die ausgereiften Lithium-Ionen-Akkus der neuesten Generation, wie sie etwa im ID.3, ID.4, oder ID.5 verbaut sind, komfortable Reichweiten und Ladezeiten bieten, beflügeln diese Meldungen die Fantasie von Industrie und E‑Auto-Fans gleichermaßen. Doch was genau ist Graphen und wie kann es bei Batterien beziehungsweise Akkus eingesetzt werden?

Das ist Graphen

Graphen wurde von den Physikern Konstantin Novoselov und Andre Geim von der Universität Manchester im Jahre 2004 entdeckt. Dafür erhielten sie 2010 den Nobelpreis für Physik. Graphen ist verwandt mit dem Halbmetall Graphit, einer anderen Erscheinungsform des chemischen Elements Kohlenstoff. Während Graphit aus mehreren Lagen von Kohlenstoffgittern besteht, ist Graphen eine dünne, einlagige Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind – und damit zweidimensional. Das bedeutet: Graphen kann nicht dünner oder dicker gemacht werden, ohne zu einem anderen Material zu werden. Graphen ist das dünnste Material der Welt, sehr leitfähig, leicht, transparent und flexibel.

So soll der Graphen-Akku funktionieren

Der Graphen-Akku basiert auf der bekannten Lithium-Ionen-Technologie. Wo in einer typischen Lithium-Ionen-Batterie die Anode aus mehrlagigem Kohlenstoff aufgebaut ist, sollen bei den neuen Akkus einlagige Graphen-Schichten zum Einsatz kommen. Da Graphen extrem dünn ist, würde es der Batteriezelle deutlich weniger Material und somit weniger Gewicht hinzufügen. Aber während sich die gravimetrische (also auf das Gesamtgewicht gezogene) Energiedichte potenziell verbessern würde, wäre die volumetrische (also auf das Gesamtvolumen der Batterie bezogene) Energiedichte mit Graphen-Anoden wesentlich schlechter. Und die volumetrische Energiedichte ist gerade für automobile Anwendungen besonders kritisch. 

Was ebenfalls zu beachten ist: Berichte über tatsächliche Graphen-Akkus stammen größtenteils aus der akademischen Forschung und basieren im Wesentlichen auf Halb-Zell-Messungen. Solche Messungen führen allerdings nicht zu realistischen Ergebnissen in Bezug auf die Zell-Performance (vor allem Kapazitäten und Ladezeiten).

Schematische Darstellung des hexagonalen Gitters aus Kohlenstoffatomen
Graphen ist eine dünne, einlagige Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. (Bild: Adobe Stock)

Mögliche Vorteile des Graphen-Akkus

Durch die Besonderheit des Werkstoffs könnten Graphen-Akkus eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Akkus haben. Zum Beispiel ist Graphen ist ein sehr guter Wärme- und Stromleiter. Diese Eigenschaften könnten genutzt werden, wenn Graphen als Additiv in herkömmlichen Elektroden – sowohl der Anode als auch der Kathode – eingesetzt wird. Diese Anwendung wird von verschiedenen Zellherstellern evaluiert, es ist aber auch kritisch zu prüfen, inwieweit der Einsatz von Graphen die Kosten für den Akku erhöhen würde. Denn die Produktion des Materials ist sehr aufwendig: Es wird durch verschiedene mechanische oder chemische Herstellungsverfahren gewonnen. Die Batterien wären dementsprechend teuer. Vom serienreifen Einsatz in Elektroautos ist das Material also noch weit entfernt. 

Feststoffbatterie kurz vor dem Start

Am vielversprechendsten für die nächste Akkugeneration sind Feststoffbatterien, die bereits kurz vor der Serienreife stehen und viele Vorteile für den Einsatz in Elektroautos bieten. Sie nutzen einen festen Elektrolyten und bieten unter anderem eine höhere Energiedichte. Dank einer Partnerschaft mit dem amerikanischen Start-up QuantumScape ist Volkswagen bei der Entwicklung der neuen Batterien ganz vorne mit dabei.

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Dass auch heutige Akkus komfortable Reichweiten ermöglichen und viel elektrischen Fahrspaß bieten, können Sie aus erster Hand erleben. Machen Sie sich am besten selbst ein Bild und vereinbaren Sie eine Probefahrt! Oder besuchen Sie unseren Online-Konfigurator und stellen Sie sich bequem und einfach Ihr nächstes Traumauto zusammen.

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1.
ID.4: Stromverbrauch (kombiniert): 17,5–15,5 kWh/100 km (NEFZ); CO2-Emission in g/km: 0; Effizienzklasse: A+++
2.
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    Aktuell sind noch die NEFZ-Werte verpflichtend zu kommunizieren. Soweit es sich um Neuwagen handelt, die nach WLTP typgenehmigt sind, werden die NEFZ-Werte von den WLTP-Werten abgeleitet. Die zusätzliche Angabe der WLTP-Werte kann bis zu deren verpflichtender Verwendung freiwillig erfolgen. Soweit die NEFZ-Werte als Spannen angegeben werden, beziehen sie sich nicht auf ein einzelnes, individuelles Fahrzeug und sind nicht Bestandteil des Angebotes. Sie dienen allein Vergleichszwecken zwischen den verschiedenen Fahrzeugtypen. Zusatzausstattungen und Zubehör (Anbauteile, Reifenformat usw.) können relevante Fahrzeugparameter, wie z. B. Gewicht, Rollwiderstand und Aerodynamik, verändern und neben Witterungs- und Verkehrsbedingungen sowie dem individuellen Fahrverhalten den Kraftstoffverbrauch, den Stromverbrauch, die CO2-Emissionen und die Fahrleistungswerte eines Fahrzeugs beeinflussen.

    Weitere Informationen zum offiziellen Kraftstoffverbrauch und den offiziellen, spezifischen CO2-Emissionen neuer Personenkraftwagen können dem „Leitfaden über den Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen und den Stromverbrauch neuer Personenkraftwagen“ entnommen werden, der an allen Verkaufsstellen und bei der DAT Deutsche Automobil Treuhand GmbH, Hellmuth-Hirth-Str. 1, 73760 Ostfildern-Scharnhausen (www.dat.de/co2) unentgeltlich erhältlich ist.

    Effizienzklassen bewerten Fahrzeuge anhand der CO2-Emissionen unter Berücksichtigung des Fahrzeugleergewichts. Fahrzeuge, die dem Durchschnitt entsprechen, werden mit D eingestuft. Fahrzeuge, die besser sind als der heutige Durchschnitt werden mit A+++, A++, A+, A, B oder C eingestuft. Fahrzeuge, die schlechter als der Durchschnitt sind, werden mit E, F oder G beschrieben. Die hier gemachten Angaben beziehen sich jeweils auf die EG-Typgenehmigung des gewählten Modells und dessen Serienausstattung gem. Richtlinie 2007/46/EG. Von Ihnen im Zuge der Konfiguration gewählte Sonderausstattung kann dazu führen, dass Ihr konfiguriertes Modell aufgrund der gewählten Ausstattung einem anderen genehmigten Typ entspricht, als dies ohne gewählte Sonderausstattung der Fall wäre. Daraus können sich Abweichungen der Angaben für Ihr konfiguriertes Modell ergeben. Bei den angegebenen CO2-Werten handelt es sich um die Werte, die im Rahmen der Typgenehmigung des Fahrzeugs ermittelt wurden.