Günstiges und umweltfreundliches Graphen aus Erdnussschalen: Ein australischer Prozess nutzt die 55.000.000 Tonnen dieses „Trockenfruchts“.

Graphen, ein Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen in hexagonaler Anordnung besteht, ist zu einem der wichtigsten Forschungsschwerpunkte in der Branche der Elektrofahrzeuge geworden.

Since es erstmals isoliert wurde, hat seine Kombination aus Leichtigkeit, mechanischer Festigkeit sowie außergewöhnlicher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit das Interesse von Herstellern und Lieferanten geweckt.

Graphen und Elektrofahrzeuge

Neben der Energiespeicherung beginnt Graphen auch in anderen wichtigen Komponenten von Elektrofahrzeugen Fuß zu fassen. Seine hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht die Entwicklung effizienterer Thermomanagementsysteme, die entscheidend sind, um die Batterie in optimalen Temperaturbereichen zu halten und ihre Lebensdauer zu verlängern. Zudem machen seine Belastbarkeit und sein geringes Gewicht ihn zu einem geeigneten Material für strukturelle Verstärkungen in Karosserien und Fahrgestellen, wodurch das Gewicht reduziert werden kann, ohne die Sicherheit zu gefährden – ein entscheidender Faktor zur Steigerung der Reichweite.

Es wird hauptsächlich durch das Abschleifen von Graphit, sei es mechanisch oder chemisch, erzeugt, wobei Schichten getrennt werden, bis Blätter mit einer Atomstärke isoliert sind – eine Methode, die 2004 von Forschern der Universität Manchester popularisiert wurde. In der Industrie wird es auch durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt, wobei bei hoher Temperatur eine Kohlenstoffschicht auf Metallsubstraten wie Kupfer oder Nickel aufgebracht wird.

Nun hat die Universität Sydney (UNSW Sydney) eine Methode vorgestellt, um landwirtschaftliche Abfälle, insbesondere Erdnussschalen, in Einfachschichtgraphen umzuwandeln – ein Material, das für seine extreme Haltbarkeit und hohe Leitfähigkeit bekannt ist.

Die von dem Team von Professor Guan Yeoh geleitete Forschung untersucht, wie ein weit verbreitetes und bisher ungenutztes Abfallmaterial zu Rohstoffen für Batterien, flexible Elektronik sowie Energiespeichersysteme werden kann.

Diese Arbeit basiert auf einer einfachen Beobachtung: Erdnussschalen enthalten Lignin, ein pflanzliches Polymer mit hohem Kohlenstoffgehalt. Unter Ausnutzung dieser Zusammensetzung mahlen die Forscher die Schalen und unterziehen sie einer zweistufigen thermischen Behandlung, um ein kohlenstoffhaltiges Material zu erzeugen, das als Vorläufer für Graphen geeignet ist.

In der ersten Phase werden die Schalen etwa fünf Minuten lang auf 500 °C erhitzt, wodurch Unreinheiten entfernt und ein kohlenstoffreiches Kohle entsteht. In der zweiten Phase wird eine Technik namens „Flash Joule Heating“ angewandt, bei der ein elektrischer Stromstoß die Temperatur des Vorläufers in nur wenigen Millisekunden auf fast 3.000 °C erhöht; dieser thermische Impuls ordnet die Kohlenstoffatome neu an, sodass einzelne Graphenschichten entstehen.

Die Verfasser der Studie betonen, dass das gewonnene Graphen die grundlegenden Anforderungen erfüllt, die es für technologische Anwendungen attraktiv machen: eine einzige Atomschicht mit minimalen Unvollkommenheiten, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie ein sehr gutes Widerstandsgewichtsverhältnis. Die Autoren erinnern daran, dass Graphen „hunderte Male widerstandsfähiger als Stahl“ ist. Diese Eigenschaften machen es zu einem Kandidaten zur Verbesserung von Batterieelektroden, Sensorkomponenten und flexiblen Touchscreens.

Das Team testete das Protokoll mit Erdnussschalen als Fallstudie aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit: Schätzungen zufolge beträgt die jährliche Erdnussernte etwa 55 Millionen Tonnen, wobei der größte Teil der Schalen in Anwendungen mit geringem Wert oder als Abfall endet. Die Nutzung dieses Volumens als Rohstoff könnte einen Abfall in einen wirtschaftlich interessanten Input verwandeln, der im Vergleich zu herkömmlichen Methoden auf petrochemischen Derivaten einen geringeren Umweltaufwand hat.

Die Forscher weisen außerdem darauf hin, dass der Schlüssel zum Erfolg in der „Vorläufer-Ingenieurwissenschaft“ liegt: Die thermische Vorbehandlung des Abfalls zielt darauf ab, Verunreinigungen zu beseitigen und die Struktur des Kohlenstoffs zu optimieren, sodass der hohe Temperaturimpuls kontinuierliche Graphenlagen mit wenigen Defekten erzeugt. Laut dem Team ist diese Optimierung des Vorläufers die notwendige Voraussetzung, um die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Endmaterials zu gewährleisten.

Auch wenn die aktuellen Experimente nur geringe Mengen ergeben haben (es handelt sich um Laborversuche), sind die Autoren hinsichtlich der Skalierbarkeit optimistisch. Sie geben an, dass das Verfahren bei weiterer Entwicklung voraussichtlich innerhalb von drei bis vier Jahren in die kommerzielle Produktion überführt werden könnte. Zudem glauben sie, dass andere ligninreiche Quellen wie Kaffeesatz oder Bananenschalen demselben Ansatz angepasst werden könnten, was den Weg für eine breite Palette an Biomassen ebnet, die in Graphen umgewandelt werden können.

Die Forschungsergebnisse wurden in einer Mitteilung des Zentrums veröffentlicht und sind in einem Artikel im Fachmagazin Chemical Engineering Journal Advances zusammengefasst. Für Anfragen zur Pressemitteilung wenden Sie sich bitte an Neil Martin, den Content-Leiter des Zentrums.

Die wirtschaftlichen und energetischen Aspekte gehören zu den wichtigsten Erkenntnissen: Die Berechnungen des Teams deuten darauf hin, dass die für die Herstellung eines Kilos Graphen mit dieser Methode benötigte Energie einen Kostenpunkt von etwa 1,30 US-Dollar hat. Diese Zahl zusammen mit der kurzen Prozessdauer (ungefähr zehn Minuten) sowie dem Fehlen chemischer Reaktanten bildet die Grundlage dafür, diese Technik aus industrieller und umwelttechnischer Sicht als praktikabel zu betrachten.