Laserinduziertes Graphen: Neue Speichertechnik für Wearables

Vor etwa einem Jahr verkündeten Forscher der Rice Universität in Housten, dass sie eine Methode entwickelt haben Graphen mit Hilfe eines computergesteuerten Lasers herzustellen. Das entstandene Produkt wurde laserinduziertes Graphen (LIG) genannt. Nun konnten sie ihr Verfahren zu einem entscheidenden Punkt weiterentwickeln, der einen sinnvollen Einsatz des neuentwickelten Produktes in Wearables zukünftig möglich machen könnte.

Graphen ist eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff. Zweidimensional bedeutet, dass der Kohlenstoff nur aus einer Atomschicht (bzw. einer Lage Graphen) besteht, also extrem dünn ist. Gleichzeitig ist der Kunststoff durch seine wabenförmige Struktur aber sehr robust, sogar 100- bis 300-mal zugfester als Stahl. Dabei bleibt er sehr leicht und flexibel. Eine weitere Besonderheit ist seine starke Leitfähigkeit für Strom und Wärme.

Diese Eigenschaften machen Graphen in der Technologie-Branche sehr begehrt. Es könnte zum Beispiel für den Bau von Handys, besonders leichten Flugzeugen und sehr dünnen Solarzellen genutzt werden und erhebliche Vorteile erzielen.

Das große Problem an der Sache stellt jedoch die aufwendige Produktion von Graphen dar und daraus folgend auch dessen hohen Preis. Es wird überwiegend mittels eines komplexen chemischen Dunstverfahrens erzeugt.  Vor fünf Jahren wurden durch die immensen Herstellungskosten Graphen-Stücke, die kleiner waren als eine Briefmarke, für je 40.000 Euro gehandelt. Ein ganzes Flugzeug-Skelett aus Graphen könnte den Haushalt einer Lufthansa dann doch etwas überfordern.

Mit dem LIG-Verfahren ist eine günstige Möglichkeit der Graphen-Produktion natürlich sehr willkommen. Nicht zuletzt, da es auch als exzellenter Ersatz für Batterien in Wearables genutzt werden könnte. Beim LIG-Verfahren wird eine Platte aus Polyimide-Plastik mit einem computergesteuerten Laser bearbeitet. Der Laser brennt dabei alles auf der Oberfläche der Platte weg, außer den Kohlenstoff Graphen. Diese Prozedur soll laut den Forscher der Rice Universität auch auf eine Fließbandproduktion übertragbar sein und somit die Produktionsmengen erheblich erhöhen, was letztendlich den Preis des Graphens wiederum senken würde. Im folgenden Video wird der Herstellungsprozess noch einmal genauer erklärt:

Die mit LIG hergestellten flexiblen Micro-Superkondensatoren sind mit einer Kapazität von 934 Mikrofarad pro Quadratzentimeter und einer Energiedichte von 3,2 Milliwatt pro Kubikzentimeter auf Augenhöhe mit dünnschichtigen Lithium-Ion-Batterien. Ein weiterer Faktor ist die extreme Flexibilität der Superkondensatoren. Selbst nach 10.000-maligen Verbiegen konnte keine Verschlechterung der Struktur des Graphens festgestellt werden. Neben der Speicherfunktion macht diese Eigenschaft die Technik besonders für Wearables interessant. Der Micro-Superkondensator könnte im flexiblen Armband einer Smartwatch oder eines Fitnesstrackers untergebracht werden und somit Platz im technischen Kern des Geräts sparen.

Noch sind die Forschungen mit laserinduzierten Graphen nicht abgeschlossen. Doch man kann schon jetzt sagen, dass man es geschafft hat selbst industrielle Superkondensatoren durch Plastik zu ersetzen.