LeitGraph - Graphenfasern als Ersatzwerkstoff für Kupferleiter

Abstract

Das Vorhaben LeitGraph verfolgte das Ziel, Graphenfasern als leichten und nachhaltigen Ersatz für Kupferleiter zu entwickeln. Hierzu sollte eine elektrische Leitfähigkeit ≥ 40 MS/m bei einer Dichte ≤ 40 % von Kupfer erreicht werden, zugleich die für die Defektausheilung nötige Wärmebehandlung von 3000 °C auf < 2000 °C gesenkt und ein industriell anwendbarer Spinnprozess etabliert werden. Im Arbeitspaket 1 wurden multiskalige Simulationen durchgeführt: Ein statistisches Netzwerkmodell (GraConSi) und Dichtefunktionaltheorie‐Untersuchungen zeigten, dass Lewissäuren als Interkalanten (z. B. AlCl₃, AlFₓ, SbF₅) die Ladungsträgerdichte steigern, jedoch ab einer bestimmten Lewis‐Säurestärke die Leitfähigkeit durch zusätzliche Streueffekte wieder sinkt. Atomistische Modellierungen lieferten Einblicke in Energiebarrieren bei der Defektausheilung und deren Variation durch Metallpartikel (Cu, Ni). Im Arbeitspaket 2 erprobte Bosch die Interkalation von Fremdatomen in Graphitfilme. Mit AlCl₃‐Dotierung wurden flexible Filme erzielt, die erstmals eine Leitfähigkeit von bis zu 31 MS/m erreichen (Meilenstein A weit übertroffen; Meilenstein D mit ≥ 40 MS/m jedoch nicht realisierbar). Fluorierungsansätze (HF, F₂, BrF₃, BiF₅, SbF₅) führten kaum zu weiteren Steigerungen oder verschlechterten die Materialeigenschaften. Gedruckte Graphenbahnen (Fraunhofer ENAS) zeigten nach Ausheilung und AlCl₃‐Interkalation lokale Leitfähigkeiten bis zu 3,5 × 10⁶ S/m. Im Arbeitspaket 3 erwies sich die nasschemische Faserherstellung als große Herausforderung. Trotz Optimierung der Dispersionsviskosität, Additivversuchen und in‐situ WAXD‐Untersuchungen konnte keine kontinuierliche, belastbare Graphenfaser gesponnen werden. Arbeitspaket 4 untersuchte Defektheilungskatalysatoren (Cu, Ni, MoS₂, WS₂) und zeigte, dass Metallpartikel Defektausheilungstemperaturen senken und die Leitfähigkeit von Graphitfilmen auf über 600 kS/m verbessern. Parallel wurde der energie- und CO₂‐Footprint synthetischer Graphitleiter berechnet und belegte eine deutlich günstigere Klimabilanz gegenüber Kupfer und Aluminium. Fazit: Das Projekt lieferte wesentliche Erkenntnisse zu Struktur‐Eigenschafts‐Beziehungen, Dotierungsgrenzen und Defektheilung in graphenbasierten Leitermaterialien. Eine industrielle Umsetzung hängt künftig insbesondere von der erfolgreichen Nassspinntechnologie zur Faserherstellung und weiteren Leitfähigkeitssteigerungen ab.