Überhitzungsschutz für Akkus, der Batterien nicht zerstört

Rückrufaktion wegen Überhitzungsgefahr! Allzu oft müssen Nutzer von Unterhaltungselektronik und sonstigen Geräten ihre Produkte genervt wieder einschicken, weil die Akkus einfach zu heiß werden. Forscher der Stanford University haben nun einen Überhitzungsschutz für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, der – bislang eine Weltneuheit – die jeweilige Batterie nicht irreversibel zerstört. Dabei handele es sich um die erste Batterie, die ohne langfristige Leistungseinbußen automatisch abgeschaltet, aber später auch wieder angeworfen werden könne, erklärt Zhenan Bao, in Standord Professorin für chemische Verfahrenstechnik und Autorin der neuen Studie, erschienen in Nature Energy.

Bisherige Techniken irreversibel

In der Vergangenheit wurden viele Wege ergründet, wie der Brandgefahr durch Überhitzung beizukommen ist. Einer davon: Flammschutzmittel in die Batterien integrieren. Einen erheblichen Nachteil erläutert Yi Cui, Materialforscher und Co-Autor der Studie: „Leider sind alle bisherigen Techniken irreversibel, sodass die Batterien danach nicht mehr funktionieren“.

Der Trick mit dem Graphen

Für ihren non-destruktiven Überhitzungsschutz entwickelten die Forscher eine spezielle Polymer-Folie und bauten sie in die Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie ein. In jene Folie integrierten die Forscher winzige Partikel auf Nickelbasis, die an ihren Außenrändern über noch winzigere Spitzen in Nanogröße verfügen. Zuletzt wurden die Nickel-Partikel inklusive der Zacken mit Graphen überzogen. Diese Carbonschicht von der Dicke nur einer Atomlage verfügt über eine Eigenschaft, die sich die Wissenschaftler zunutze machten: bei zunehmender Wärme dehnt sie sich aus.

Damit Elektrizität geleitet werden kann, müssen sich die Nickel-Partikel mit ihren Spitzen berühren. Überschreitet die Temperatur einen bestimmten Wert (ca. 70 °C), bläht sich die Graphen-Schicht so stark auf, dass sie die einzelnen Partikel voneinander wegschiebt und so den physischen Kontakt unterbricht. Folge: Die Batterie schaltet sich aus. Kühlt die Temperatur runter, schwillt  das Graphen wieder ab, die Nickel-Teilchen berühren sich erneut und der Akku springt an.

Der Schwellenwert, ab dem sich die Batterie abschaltet, kann zudem variabel beeinflusst werden – durch eine unterschiedliche Anzahl der Nickel-Partikel sowie durch die Art des verwendeten Polymers. Laut Angaben der Forscher kann dieser Sicherungsmechanismus unbegrenzt oft aktiviert werden, ohne die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Batterie auf Dauer einzuschränken.