Von Smartphones über Elektrofahrzeuge bis hin zur Speicherung erneuerbarer Energien – Batterien sind die stillen Wegbereiter unseres Alltags. Ihre Bedeutung wird weiter zunehmen: Bis 2030 wird die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) voraussichtlich um das Fünffache steigen, hauptsächlich angetrieben durch den Einsatz von Elektrofahrzeugen und Energiespeicherlösungen im Stromnetz (IEA, 2023).
Aber was treibt die Batterie an – und noch wichtiger: Was treibt ihre Materialien an?
Welche Batterietypen sind heute am gebräuchlichsten?
- Lithium-Ionen-Batterien (LIBs):
Derzeit der am häufigsten verwendete wiederaufladbare Batterietyp. LIBs versorgen Elektrofahrzeuge, tragbare Elektronik und Systeme zur Speicherung erneuerbarer Energien mit Strom. Zu ihren Vorteilen zählen hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung und lange Lebensdauer. - Neue Alternativen:
- Natrium-Ionen-Batterien (Na-Ion): Verwendet Natrium anstelle von Lithium – Natrium ist häufiger verfügbar und günstiger, jedoch mit geringerer Energiedichte.
- Magnesium-Ionen-Batterien (Mg-Ion) und andere multivalente Chemien: Noch in der Entwicklung, zielen sie auf höhere Kapazitäten bei geringeren Kosten ab.
Der Aufbau einer Batterie: Anode und Kathode
Jede Batterie enthält zwei zentrale Elektroden:
- Kathode (positive Elektrode): Besteht meist aus Lithium-Metalloxiden (z. B. NMC, LFP) und speichert Lithium-Ionen während der Entladung.
- Anode (negative Elektrode): Hier kommen kohlenstoffbasierte Materialien ins Spiel. Die Anode nimmt beim Laden Lithium-Ionen auf und gibt sie beim Entladen wieder ab.
Warum Kohlenstoff für Anoden unverzichtbar ist
Kohlenstoff – insbesondere graphitischer Kohlenstoff – ist das dominierende Material in Anoden moderner Lithium-Ionen-Batterien. Warum?
- Elektrische Leitfähigkeit: Kohlenstoff ermöglicht einen exzellenten Elektronenfluss.
- Strukturelle Stabilität: Lithium-Ionen lassen sich zwischen den Graphenschichten einlagern, ohne dass das Material zerfällt.
- Kosten und Skalierbarkeit: Natürlicher und synthetischer Graphit sind bereits im industriellen Maßstab verfügbar.
Im Jahr 2022 nutzten über 95 % der kommerziellen LIBs graphitbasierte Anoden (USGS, 2023).
Kohlenstoffarten in Batterien
- Natürlicher Graphit: Wird aus Lagerstätten gewonnen, gereinigt und zu Anodenpartikeln verarbeitet.
- Synthetischer Graphit: Wird aus gecalcinierter Erdölkoks (CPC) durch Hochtemperaturbehandlung (bis zu 3000 °C) hergestellt. Er bietet höhere Reinheit und gleichmäßigere Struktur.
- Hard Carbon & Soft Carbon: Verwendet in Natrium-Ionen-Batterien; insbesondere Hard Carbon gilt als vielversprechend für eine lange Lebensdauer.
Rohstoffe: Woher stammen sie?
Die zwei wichtigsten Kohlenstoffquellen in Batterieanoden:
- Graphit: China dominiert die Produktion (~65 % des weltweiten Angebots), doch eine Diversifizierung schreitet voran.
- Erdölkoks (Petcoke): Ein Nebenprodukt der Erdölverarbeitung, dient als Ausgangsstoff für synthetischen Graphit. Durch Kalzinierung und Graphitisierung wird er für Batterieanwendungen geeignet gemacht.
Gibt es Alternativen zu Kohlenstoffanoden?
Zahlreiche Forschungsprojekte beschäftigen sich mit Silizium-, Lithium-Metall– oder Festkörperanoden, doch diese Materialien haben mit folgenden Herausforderungen zu kämpfen:
- Sicherheitsbedenken
- Geringe Zyklusstabilität
- Hohe Kosten
Derzeit bleibt Kohlenstoff für leistungsstarke Batterien im industriellen Maßstab unersetzlich.
Fazit
Kohlenstoff ist nicht nur ein „schwarzer Füllstoff“ – er ist ein leistungsfähiges, technologisch entwickeltes Material im Zentrum der Batterierevolution. Vom natürlichen Graphit bis zum erdölbasierten synthetischen Graphit bildet die kohlenstoffbasierte Anode das Fundament der Batterien der nächsten Generation.
Im nächsten Beitrag werfen wir einen genaueren Blick darauf, wie Batterieanoden hergestellt werden – vom Rohmaterial Petcoke bis zu präzise geformten Graphitpartikeln.
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