Mehr Leistung und mehr Sicherheit 20.10.2020, 07:00 Uhr

Durchbruch bei feuerfesten Lithium-Ionen-Batterien erzielt

Amerikanische Wissenschaftler haben einen großen Schritt in der Batterieentwicklung gemacht. Durch einen neuen Denkansatz ist es ihnen gelungen, die Effizienz von Lithium-Ionen-Akkus erheblich zu steigern. Das könnte unter anderem für die Elektromobilität eine wichtige Rolle spielen.

Batterien

Leistungsfähige Batterien sind sehr gefragt.

Foto: Panthermedia.net/yuriy2design

Nachhaltige Energiegewinnung und Energiespeicherung gehören zu den zwei wichtigsten Themenbereichen unserer Zeit. Unzählige Forscherteams sind weltweit damit beschäftigt, neue Entwicklungen voranzutreiben. Man sollte meinen, dass es fast nichts gibt, worüber nicht schon einmal ein Experte nachgedacht hat. Umso überraschender ist es, wenn es durch einen verhältnismäßig einfachen neuen Denkansatz gelingt, die Batterieforschung ein gutes Stück nach vorne zu bringen – Forscher der amerikanischen Stanford University haben einen Lithium-Ionen-Akku vorgestellt, der um 20 % effizienter sein soll als Batterien vergleichbarer Größe. Und nicht nur das: Er gilt auch als sicherer.

Elektroautos, Laptops, Smartphones – die Einsatzbereiche für Lithium-Ionen-Batterien sind breit gefächert, und dank der zunehmenden Digitalisierung nimmt der Bedarf zu. Zwei Anforderungsprofile sind dabei besonders wichtig. Das ist zum einen natürlich die Akku-Laufleistung. Gerade bei Elektroautos steht die damit verbundene Reichweite der Fahrzeuge im Fokus. Ein anderer Aspekt ist die Sicherheit. Unter anderem Smartphone-Akkus, die sich ohne ersichtlichen Grund überhitzen, in Flammen aufgehen oder sogar explodieren, haben für negative Schlagzeilen gesorgt. Das Forscherteam glaubt, mit seiner neuen Technologie beide Fliegen mit einer Klappe schlagen zu können.

++Sind Lithium-Ionen-Akkus gefährlich?++

Stromkollektoren im Fokus

Die Entwicklung haben die Stanford-Mitarbeiter gemeinsam mit Experten des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums vorgenommen. Im Wesentlichen haben sie für ihre guten Ergebnisse die Stromkollektoren der Batterien verändert. „Bisher wurde der Kollektor immer als notwendiges totes Gewicht angesehen und nicht erfolgreich zur Steigerung der Batterieleistung eingesetzt“, sagte Yi Cui, der die Forschung leitete.

Grundsätzlich sind Lithium-Ionen-Batterien mit zwei Stromkollektoren ausgestattet, einen für jede Elektrode. Sie verteilen den in oder aus der Elektrode fließenden Strom und können, je nach Batterietyp, bis zu 50 % des Gewichts ausmachen. Leichtere Kollektoren wären also wünschenswert. Das zeigt sich gerade an Elektroautos, die den Akku ebenfalls transportieren müssen. Das Gewicht der Batterie geht hier also klar zulasten der Leistung.

Neues Polymer ergänzt Kupfer

Das ist natürlich bekannt, und es hat bereits einige Versuche gegeben, das Gewicht der Stromkollektoren zu reduzieren, damit die Akkus insgesamt leichter werden. Gelungen ist es in der Regel jedoch nur unzureichend. Die Batterien wurden dadurch zum Beispiel chemisch instabiler oder der Elektrolyt-Anteil musste steigen, was größere Kosten verursacht. Parallel haben Wissenschaftler versucht, die Sicherheit zu erhöhen, indem sie dem Elektrolyten feuerhemmendes Material hinzufügten, worunter jedoch seine Leitfähigkeit litt.

Das Team um Yi Cui entwickelte schließlich ein leichtes Polymer namens Polyimid, das Feuer widersteht und den hohen Temperaturen standhält, die durch schnelles Laden der Batterie entstehen. Zusätzlich betteten sie das feuerhemmende Mittel Triphenylphosphat (TPP) in das Polymer ein, das sie dann auf beiden Oberflächen mit einer ultradünnen Kupferschicht beschichten. Das Kupfer dient einerseits zur Stromverteilung, andererseits schützt es das Polymer. Die Tests mit diesem neuen Stromkollektor zeigten erstaunliche Ergebnisse: Der Kollektor ist etwa 80 % leichter als bei vergleichbaren Modellen, was die Energiedichte des Akkus um 16 bis 26 % erhöhte. Die Stromleitfähigkeit nahm dabei nicht ab.

Illustration Funktionsprinzip Batterie

Die Schichtung aus Polymer und Kupfer verringert das Gewicht und erhöht so die Effizienz.

Foto: Yusheng Ye/Stanford University

Patentanmeldung läuft

Und wie steht es um die Sicherheit? Nach Angaben der Wissenschaftler schneidet die neue Technologie auch in diesem Bereich gut ab. Ein Vergleich: Wenn herkömmliche Beutel-Batterien an die offene Flamme eines Feuerzeugs gehalten werden, entzünden sie sich schnell und brennen aus, bis der gesamte Elektrolyt verkohlt ist. Anders bei den neuen Lithium-Ionen-Akkus. Hier entstanden in der gleichen Situationen nur sehr schwache Flammen, die nach wenigen Sekunden von selbst wieder erloschen.

Eine mögliche Produktion der neuen Batterie beschreiben die Forscher übrigens als unkompliziert. Außerdem soll sie günstiger sein als ihre bewährten Vorgänger, da ein Teil des Kupfers durch günstiges Polymer ersetzt werde. Ein Patent sei bereits angemeldet.

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