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Montag, 25 Juli 2022 12:54

Graphen: Aus den Labs in die Fabs

Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten
Abbildung 1. Entwicklung der Märkte für Graphen und 2D-Materialien bis 2033 Abbildung 1. Entwicklung der Märkte für Graphen und 2D-Materialien bis 2033

Ein detaillierter und differenzierter Marktausblick über die nächsten zehn Jahre für die Anwendungen des viel versprechenden Materials Graphen kommt vom britischen Marktforscher IDTechEx (ŒGraphene Market & 2D Materials Assessment 2023-2033'). Schlussfolgerung: Die Märkte für Graphen und dessen Derivate entwickeln sich entlang der im Hightech-Bereich typischen Hype-Kurve, wobei die die erwartete Kommerzialisierung stetige Fortschritte macht und in den nächsten Jahren signifikante Zuwachsraten erzielen wird.

IDTechEx prognostiziert, dass der Markt für Graphenmaterialien von <100 Mio. Dollar in 2020 bis 2032 auf 1 Mrd. Dollar wachsen wird. Die Studie gliedert sich in granulare Prognosen aus 18 Applikationsbereichen und enthält datenintensive Abschätzungen und Benchmarks. Insgesamt 150 Firmen wurden kontaktiert und Profile von mehr als 60 Playern im Markt erstellt. Nicht einfach ist die Aufschlüsselung und differenzierte Bewertung der einzelnen Aspekte der Graphen-Entwicklung und der diversen Konfigurationen und Typen des Materials. Bei IDTechEx konstatiert man gewisse Fortschritte in der Standardisierung, der zugehörigen Gesetzgebung und der Qualifizierungs-Richtlinien. Doch auch darin liegt, so urteilen die Autoren der Studie, Dr. Richard Collins <https://www.idtechex.com/en/team/dr-richard-collins/2096> und Conor O'Brien <https://www.idtechex.com/en/team/conor-obrien/2845> , eine gewisse Herausforderung. Graphen Nanoplatelets (GNP), Graphenoxid (GO) und reduziertes Graphenoxid (rGO) scheinen am dichtesten zu einem signifikanten kommerziellen Einsatz zu sein. Die Autoren sehen sie in einer schnellen Wachstumsphase, mit realen Applikationen für Polymerverbindungen in Automobilen, Wärmeableitungen in Smartphones, industrielle Elastomere, Korrosionsschutz-Beschichtungen und anderem mehr.

Schwierig ist auch die Entscheidung, welche Graphen-Konfiguration in Applikationen mit multifunktionalen Anforderungen am besten geeignet ist. Die derzeitigen Anwender, so die Autoren, akzeptieren den Fakt, dass der best geeignete Materialtyp nicht a priori festgelegt werden kann, sondern aus den Ergebnissen der jeweiligen Anwendung und ihren Parametern resultiert. Das bestimmt die Morphologie und geforderte Reinheit des Materials. Den End-Usern ist inzwischen klar, dass hier das Know-how für den Einsatz liegt - ein Schlüsselfaktor für die Wettbewerbsfähigkeit, was die frühen Anwender durch externes oder Inhouse-Wissen zu gewinnen versuchen. Die diversen Prozesse zur Graphen-Erzeugung haben ihre spezifischen Stärken und Schwächen, vor allem das klassische Top-Down Verfahren der Exfoliation aus der flüssigen Phase und die Oxidierung-Reduzierung. Der Report erläutert diese Prozesse im Detail und nennt dabei auch Alternativen mit unterschiedlichen Ausgangsmaterialien zur Verbesserung der Effizienz und des Endprodukts.

Konsolidierung der Fertigungsbasis: Es existiert derzeit eine große Zahl von Graphen-Herstellern, die sich mit wachsender Konsolidierung der Fertigungsbasis stark verringern dürfte. Der Report analysiert die Fortschritte bei den einzelnen Herstellern, nennt deren Umsätze, Profitabilität, Fertigungskapazität, Preisgestaltung, geistiges Eigentum, Partnerschaften und anderes mehr. Auch wurden bereits Produktionsstätten hinreichender Größe installiert, die Volumenfertigung ermöglichen. Doch der Expansionsprozess, so IDTechEx, dürfte sich über längere Zeit erstrecken. Aktuell übertrifft die Fertigungskapazität die Nachfrage. Wie in anderen industriellen Sektoren hat sich China in Bezug auf die Produktionskapazität und den F&E-Aufwendungen zu einem erst zu nehmenden Wettbewerber entwickelt. Auch das wird im genannten Report näher aufgeschlüsselt. Im Licht der Tatsache, dass ein großer Teil dieser Aktivitäten sich auf Additive in Volumenfertigung erstreckt, sind Preis und Kosten wichtige Faktoren: Die Preise für Graphen überstreichen mehrere Größenordnungen, wobei viele Anbieter es so gut wie möglich vermeiden, im "Race-to-the-Bottom" Prinzip zu schnell eine untere Grenze zu erreichen. Insgesamt, so der Report, operiert die Graphen-Industrie noch auf der Verlustseite, mit einigen wenigen profitablen Anbietern. Das führt verschiedentlich zu enttäuschten Erwartungen von Investoren, zumal die öffentliche und private Förderung immer noch eine maßgebende Rolle spielt. Auch darauf geht der Report im Detail ein.

Ebenfalls im Fokus stehen die potenziellen Anwendungen, in denen ein hoher Bedarf an Lösungen besteht. Die generellen Markttreiber sind: Fortschritte beim Thermal Management, Nachhaltigkeit, Gewichtseinsparungen, Produkt-Lebensdauer und anderes mehr. Daraus ergibt sich die Frage, wo der eigentliche Schwerpunkt der Graphen-Anwendungen liegen wird - Energiespeicherung, Beschichtung, Wärmeableitung? Oder in Graphen-basierten Textilien? Abbildung 1 gibt dazu eine Übersicht, im Text des Reports findet sich die Diskussion einer Roadmap für den Weg dorthin. Einen eher hinhaltenden Eindruck vermittelt die Erzeugung von Graphenfilmen und Wafern, die typisch durch CVD-Prozesse erfolgt. Das offensichtliche Potenzial für Transistoren wurde intensiv untersucht, doch die Abwesenheit einer Bandlücke und die vorteilhaften Eigenschaften existierender Materialien haben hier Barrieren eingezogen. Fortschritte in der Fertigung und weitere Entwicklungen geben jedoch wieder Hoffnung, insbesondere für Sensoren und optoelektronische Komponenten. Hier sieht IDTechEx für diverse End-User-Märkte viel versprechende Entwicklungen über die nächsten zehn Jahre.

Weitere 2D-Materialien neben Graphen: Mit den Aktivitäten rund um Graphen ist eine ganze Familie von weiteren 2D-Materialien entstanden, alle mit spezifischen Eigenschaften und kommerziellem Potenzial. Nahezu alle sind in einer frühen Phase der Entwicklung. Der IDTechEx-Report bietet eine detaillierte Einschätzung mit dem Fokus auf Bor-Nitrid, den Übergangsmetall-Dichalkogeniden oder den MXenes (zweidimensionale anorganische Verbindungen). Die wichtigsten technischen Fortschritte, prospektive Applikationen, die Profile der involvierten (Startup-) Firmen und weitere Einzelheiten werden im Report aufgeführt.

Graphen ist nicht das erste Nanocarbonmaterial, das seinen Weg aus den Labors in die Fabs findet. Die meisten Applikationen nutzen Graphen als ein Additivmaterial - was Konsequenzen für die Wettbewerbsfähigkeit hat. Ruß (carbon black) ist das gegenwärtig am häufigsten eingesetzte leitfähige Kohlepulver. Es kommt in zahlreichen Abstufungen und eröffnet eine Langzeit-Perspektive für GNPs und rGOs, wenn sich passende hochvolumige Applikationen finden. In einem reifen Industriesektor wie diesem ist die Zahl der Hersteller, mit globaler Präsenz und reduzierten Gewinnmargen, bereits konsolidiert.

Am Schluss verweist der Report auf die kommerzielle Entwicklung der mehrwandigen und einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren. MWCNTs gingen historisch durch eine vorschnelle Expansion der Fertigungskapazitäten - für bescheidene Nischenanwendungen. Erst in den letzten Jahren haben sich für sie signifikante Umsätze eingestellt, so dass die nächsten Expansionsschritte Platz greifen. Das ist vor allem ihrem Einsatz in der Kathode von Lithium-Ion Batterien zu verdanken. Die SWCNTs hingegen haben trotz ihrer Versprechungen noch wichtige kommerzielle Anwendungsfälle zu entwickeln. Auch diese komplexe Situation behandelt der Report im Detail.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 7
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Werner Schulz

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