Lithiumionen-Akkus werden brandsicherer

Brennende oder explodierende Handy-Akkus sind eine Gefahr (Foto: iStock)
Bei Überhitzung tritt das Flammschutzmittel in den Elektrolyt aus (Grafik: : Liu et al./ Sci. Adv.)

Lithiumionen-Batterien sind die Kraftquellen unserer mobilen Elektronik, aber sie haben einen Schönheitsfehler: Überhitzen sie, können sie explodieren, wie die Galaxy Note 7 Smartphones jüngst demonstrierten. US-Forscher haben nun ein Bauteil entwickelt, das dieses Problem lösen soll: Die aus zwei Materialien kombinierte Trennschicht setzt automatisch ein Flammschutzmittel frei, wenn sich der Akku überhitzt. Im Normalbetrieb dagegen verhält sich dieser Separator wie die bisher gängigen Bauteile.

Lithiumionen-Akkus stecken in unzähligen Geräten unseres Alltags – ob Handy, Kamera oder Tablet. Auch Elektroautos bekommen ihren Strom aus solchen Kraftpaketen, denn die Akkus besitzen eine hohe Energiedichte und eine relativ stabile Leistung. Hunderte Millionen der leistungsstarken Batterien werden daher jedes Jahr produziert und transportiert. Doch sie sind nicht ohne Risiko: Entsteht in ihrem Inneren ein Kurzschluss oder werden die Akkus von außen zu stark erhitzt, dann können sie beginnen zu brennen oder sogar explodieren. Der Grund dafür sind die brennbaren Elektrolyte, über die der Elektronenaustausch zwischen Kathode und Anode abläuft. Werden sie erhitzt, kann dies eine sich aufschaukelnde thermische Reaktion auslösen. In den letzten Jahren haben Batteriehersteller versucht, diese Gefahr durch interne Schutzhüllen, automatische Abschalter oder die Zugabe von Flammschutzmitteln zum Elektrolyt einzudämmen. "Doch das Risiko von Batteriefeuern existiert noch immer", betonen Kai Liu und seine Kollegen von der Stanford University. "Darüber hinaus sinkt durch diese Maßnahmen meist die Energiedichte und Ionenleitfähigkeit, was die Leistung der Batterien mindert."

Reaktion nur bei Überhitzung

Das von den US-Forschern neuentwickelte Batteriebauteil könnte künftig diese Probleme lösen helfen. Denn es sorgt dafür, dass im Falle einer Überhitzung sofort Flammschutzmittel in den Elektrolyt freigesetzt wird. Im normalen Betrieb des Lithiumionen-Akkus aber ist das Flammschutzmittel eingekapselt und stört daher die Batteriefunktion nicht. Das Bauteil ersetzt den herkömmlichen Separator, eine Trennschicht aus mikroporösen Membranen, die die Elektroden voneinander trennt, aber dennoch den Ionenaustausch ermöglicht. Der Separator von Liu und seinen Kollegen ist ebenfalls mikroporös, er besteht jedoch aus einem gesponnenen Mikrofaser-Verbundgewebe. Jede Faser dieses Gewebes enthält einen Kern aus dem gängigen Flammschutzmittel Triphenylphosphat (TPP). Um diesen herum ist eine Polymerschicht gesponnen, die das TPP vom Elektrolyt trennt. "Das Polymer hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt, ist aber im normalen elektrochemischen Umfeld des Batterieinneren inert und stabil", beschreiben die Forscher.

Im Normalbetrieb der Batterie hat der neuentwickelte Separator ähnliche elektrische Kenndaten wie herkömmliche Polyethylen-Separatoren, wie die Tests der Forscher ergaben. Wenn jedoch der Akku anfängt zu überhitzen, verändert sich das Bauteil schlagartig: "Wird der Schmelzpunkt des Polymers erreicht, schmelzen die Fasern und das eingekapselte TPP wird freigesetzt", berichten Liu und seine Kollegen. Im Versuch führte dies spätestens bei Temperaturen von 160 Grad dies zu einer 100prozentigen Ausschüttung des Flammschutzmittels in den Elektrolyt. Das TPP macht dadurch nun rund 30 Gewichtsprozent des Elektrolyts aus. Im Experiment zündeten die Forscher diese Mischung sogar direkt an, um ihre Flammbarkeit zu testen. Das Ergebnis: "Die Flammen verschwanden sofort und waren innerhalb von 0,4 Sekunden komplett gelöscht", so die Wissenschaftler.  "Das belegt, dass der Separator die Flammbarkeit der gängigen Elektrolyte effektiv unterdrückt."

Nach Ansicht von Liu und seinen Kollegen könnte ihr neuentwickeltes Bauteil daher dazu beitragen, das Problem der explodierenden Akkus endlich zu lösen. "Mit diesem smarten und anpassungsfähigen Separator müssen wir zudem keine Kompromisse mehr eingehen zwischen der elektrochemischen Leistung der Batterie und einem Schutz vor der Entflammbarkeit des Elektrolyts", so die Forscher.

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