Neuer Lithium-Ionen-Akku explodiert nicht bei Beschädigung

Lithium-Ionen-Akkus erreichen eine sehr hohe Energiedichte und brauchen nur wenig Platz. Das macht sie so interessant für den Einsatz in tragbaren Geräten wie Handys, Tablets, Digitalkameras, Wearables und Laptops sowie in Elektroautos. Allerdings ist mit ihnen ein gewisses Sicherheitsrisiko verbunden. Beispielsweise kann sich der Akku eines Smartphones  entzünden, wenn das Gerät auf den Boden fällt und dabei beschädigt wird. Wie gefährlich explodierende Akkus sein können, hat zuletzt der Fall eines jungen Hamburgers gezeigt, der an den Folgen eines Ladegerät-Unfalls gestorben ist. Forscher vom Oak Ridge National Laboratory und von der University of Rochester haben jetzt einen Weg gefunden, genau das zu verhindern – indem sie den Lithium-Ionen-Akkus Kieselgel zusetzen.

Leicht brennbare Akkus in Smartphones, Tablets & Co.

Lithium-Ionen-Akkus sind immer nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Die Lithium-Ionen Zellen bestehen aus einer Lithium-Metalloxid-Elektrode, die den positiven Pol bildet. Ihr gegenüber liegt eine Grafit-Elektrode (negativ). Wird der Akku geladen, wandern die Lithium-Ionen zu den Molekülschichten des Grafits und lagern sich dort ab. Dafür ist das Grafit von einer leitfähigen Flüssigkeit umgeben, dem Elektrolyt. Beim Entladen bewegen sich die Lithium-Ionen zurück zur Lithium-Metalloxyd-Elektrode. Lediglich eine dünne Isolierschicht, ein sogenannter Separator zwischen den beiden Elektroden sorgt dafür, dass Plus und Minus nicht aufeinander treffen können. Die Ionen selbst sind klein genug, um diese Schicht durchdringen zu können.

Der Elektrolyt ist jedoch leicht brennbar und der Grund dafür, dass ein Handy oder Tablet sich entzünden kann, wenn der Akku und vor allem die Isolierschicht beschädigt wird. Die Pole treffen aufeinander, die Spannung entlädt sich, und der Elektrolyt brennt. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer Explosion.

Kieselgel für die Akkus von Elektroautos?

Für eine größere Sicherheit veränderten die Wissenschaftler daher den Elektrolyt. Sie setzten der Flüssigkeit Kieselgel zu. Dabei handelt es sich um Siliziumdioxid mit gelartiger Konsistenz, das eine interessante Eigenschaft besitzt: Bei einen starken Stoß verklumpen die Kieselgel-Partikel augenblicklich – und blockieren auf diese Weise den Ionenfluss zwischen den Elektroden. Ein Kurzschluss ist nicht mehr möglich. Im Normalzustand behindert das Kieselgel die Leitfähigkeit des Elektrolyts hingegen nicht.

Für diesen Effekt sei es entscheidend, dass die Kieselgel-Partikel exakt gleich groß seien (jeweils 200 Nanometer), damit sie sich gleichmäßig im Elektrolyt verteilen könnten, erklären die Forscher. Größenunterschiede führten hingegen dazu, dass sich die Elektrolyt-Flüssigkeit nur teilweise verhärtet. Die Wissenschaftler suchen jetzt Industriepartner, insbesondere aus der Elektroautobranche. Hier soll der neue Akku gerade bei Unfällen die Sicherheit erhöhen.

Explosionen von Lithium-Ionen-Akkus durch Baufehler weiterhin möglich

Das neue Sicherheitssystem hat allerdings keinen Einfluss auf Lithium-Ionen-Akkus, die durch eine fehlerhafte Bauweise explodieren oder anfangen zu brennen, wie es vor zwei Jahren beim Samsung Galaxy Note 7 der Fall war. Nach zahlreichen Zwischenfällen mit diesem Handy-Modell, hatte Samsung einen weltweiten Verkaufsstopp ausgerufen. Bei anschließenden Tests stellte sich heraus, dass die Ursache vermutlich unter anderem die Isolierschicht war. Sie sei zu dünn oder schlicht fehlerhaft gewesen.

Andere Wissenschaftler hatten bereits 2017 einen Lösungsvorschlag für brennende Akkus vorgeschlagen. Die Stanford-Forscher um Kai Lui entwickelten ein Bauteil, das bei Überhitzung ein Flammschutzmittel freisetzen sollte. Um sicher zu gehen, riet die Polizei Nutzern, sie sollten Smartphones niemals mit ins Bett nehmen.

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