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WISSENSCHAFT

Samsung: Ab 2021 Handys mit Graphenakkus?

Mehrere Schichten des zweidimensionalen Graphens. [Bild: pixabay.com]

17.02.2020 13:05 - Erik Körner

Laut Brancheninsider Evan Blass soll Samsung ab 2021 seine ersten Smartphones mit Graphenakkus statt herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus ausstatten. Ein Forschungsbericht des koreanischen Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) aus dem Jahr 2017 gibt Einblick in den Entwicklungsprozess.

Graphen ist ein modifizierter Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Graphit, das aus zahllosen Kohlenstoffschichten besteht, ist es ein zweidimensionales Material mit Bienenwabenmuster – quasi eine Kohlenstofffolie. Mit einer Stärke von 0,3 Nanometern ist das Material hunderttausendmal dünner als ein menschliches Haar. In der Wissenschaft wird es als „Wundermittel“ bezeichnet – unter anderem wegen seiner herausragenden Leitfähigkeit von Strom und Wärme sowie seiner Flexibilität.

Jetzt scheint es, als wolle Samsung sich dieses Wundermittels bedienen und es in die Akkus ihrer künftigen Smartphones einbauen. Das heißt allerdings nicht, dass die Zeit des Lithium-Ionen-Akkus, kurz Li-Ionen-Akku, vorüber sei. Entgegen des Namens werden Samsungs neue Batterien nicht vollständig aus Graphen bestehen. Laut des Forschungsberichts des SAIT ist es den Forscher*innen gelungen, Graphenbälle herzustellen. „Jeder Graphenball besteht aus einer Graphen-Siliziumdioxidverbindung als Nanopartikelkern, umgeben von Graphenschichten, wodurch eine dreidimensionale, Popcorn-ähnliche Struktur entsteht“, so der Forschungsbericht.

Diese Bälle werden voraussichtlich jeweils an der Kathode und oder der Anode der Li-Ionen-Akkus angebracht. An der Kathode sollen die Graphenbälle als Schutzmantel für nickelreiche Kathoden verwendet werden können. Das könnte wiederum eines der größten Probleme von Li-Ionen-Akkus beheben: ihre Langlebigkeit. Im Forschungsbericht heißt es: „Es ist bekannt, dass es bei Aufladevorgängen unausweichlich zu [chemischen Prozessen] kommt, die die Schichtstruktur der Akkus abbauen.“ Die einheitliche Ummantelung der Bälle soll den nickelreichen Kathoden helfen, ihre Grenzflächenstabilität mit den Elektrolyten zu verbessern und den Strukturabbau zu vermeiden. Elektrolyte sind eine Art Transportmedium, das den Ionen-Transport zwischen Anode, Kathode und Elektronen ermöglicht.

Nichts, was Graphen nicht kann

Außerdem bedeutet diese Kathodenbauart „eine stärkere Leitfähigkeit über die Elektrode“. Dadurch würde die Langlebigkeit der Akkus erhöht und ihre Schnelladeoption optimiert werden. Momentan rechnen die meisten Tech-Magazine mit einer Ladedauer zwischen zwölf und 30 Minuten für eine volle Ladung. Zum Vergleich: Quick Charge 4-kompatible Geräte benötigen nach Herstellerangabe zirka 15 Minuten für eine halbe Ladung. Danach erhöht sich aber die restliche Ladezeit. Ihr volles Potenzial könnten Graphenakkus entfalten, wenn zusätzlich zur Kathode auch die Anode mit den Graphenbällen ausgestattet würde – vor allem hinsichtlich der Lebensdauer. „Nach 500 Ladezyklen bei 5 Coulomb [elektrische Ladung, die innerhalb einer Sekunde durch den Querschnitt des Leiters transportiert wird] und 60°C hat die Batterie 78,6% ihrer Kapazität behalten.“ Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid Akkus mit Graphit verloren schon nach weniger als 25 Ladezyklen über 90% ihrer Kapazität. Letzterer Akku-Typ findet derzeit unter anderem in Fahrzeugen Verwendung. Graphenakkus wären folglich nicht nur für die Handy-, sondern auch die Automobilindustrie attraktiv.

„Die Graphen-Elektroden sind wegen ihrer Flexibilität ideal für Touchscreens.“

Da Graphen nicht nur hervorragend Strom leitet, sondern auch hauchdünn und transparent ist, eignet es sich beispielsweise für die Herstellung von Bildschirmen. Forscher*innen des Fraunhofer Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden ist es laut einer Pressemitteilung aus dem Jahr 2017 gelungen, OLED-Elektroden aus Graphen herzustellen. „Die Graphen-Elektroden sind wegen ihrer Flexibilität ideal für Touchscreens. Sie zerbrechen nicht, wenn das Gerät auf den Boden fällt. Statt Glas müsste man nur transparente Folie verwenden“, beschreibt die Mitteilung des FEP.

Samsung wird die ersten Graphenakkus wahrscheinlich vorerst nur in ihren teuren Flaggschiffmodellen einbauen. Gemessen an den Forschungskosten für die neue Technologie ist das wenig überraschend. Wann auch günstigere Modelle, oder Modelle anderer Firmen Graphenakkus erhalten werden, ist momentan ungewiss.

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