Mo, 20. November 2017

Feststoff-Elektrolyt

14.10.2016 09:26

Wie Forscher Akkubrände künftig verhindern wollen

Nicht nur das neueste Smartphone aus dem Hause Samsung machte Schlagzeilen wegen überhitzter oder gar explodierender Akkus. Auch andere Unternehmen kämpfen mit dem Problem, darunter Apple, Tesla und Boeing. Die Akkus sollen bei steigender Energiedichte immer kleiner und leichter werden, sich immer schneller laden lassen und dabei möglichst lange halten.

Der Spagat zwischen all diesen Anforderungen scheint Risiken mit sich zu bringen, wie die jüngsten Vorfälle beim Samsung-Smartphone nahelegen. Wie es zu den Explosionen mancher Samsung Note 7 Geräte kam, ist bisher nicht geklärt.

Lithium-Ionen-Akkus sind "hochreaktiv"
Klassische Lithium-Ionen-Akkus und die meisten anderen Batterien bestehen aus zwei Elektroden - dem Plus- und dem Minuspol - aus festen Materialien. Zwischen ihnen bewegen sich die Ladungen durch einen flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten. Eine Kunststoff-Trennschicht verhindert außerdem, dass es zwischen den beiden Polen zum Kurzschluss kommt.

"Lithium ist hochreaktiv. Wenn der flüssige Elektrolyt mit dem darin enthaltenen Lithium mit Luft in Kontakt kommt, kann es sich spontan entzünden", erklärt Jennifer Rupp von der ETH Zürich auf Anfrage. Ein Grund für brennende Akkus kann daher eine undichte Hülle sein.

Besseres Gehäuse und Feststoffelektrolyt als Lösung?
Aber auch wenn man den Akku überhitzt - durch Überladung oder indem man ihn an der Sonne liegen lässt -, kann das Gel aufquellen oder die Flüssigkeit sich entzünden. "Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten, Akkus sicherer zu machen", so Rupp. "Man kann die Hülle besser machen, so dass die Materialien im Innern nicht mit Luft in Berührung kommen, auch wenn das Smartphone einen Schock erfährt."

Die zweite Möglichkeit, an der auch die ETH-Professorin mit ihrer Gruppe forscht: Einen Elektrolyt aus festen Materialien zu verwenden. "Den können Sie an der Luft liegen lassen, da passiert gar nichts."

Die Idee von Trockenakkus geht auf Materialentwicklungen der vergangenen fünf bis sechs Jahre zurück: In den Fokus rückten Elektrolytmaterialien aus Keramiken. Lithiumgranat gehört dabei zu den festen Materialien mit einer der höchsten bekannten Leitfähigkeit für Lithium-Ionen.

Feststoffakku-Prototyp erst kürzlich vorgestellt
Die Forschungsgruppe von Jennifer Rupp stellte kürzlich einen Prototypen eines solchen Festkörperakkus mit einem Lithiumgranat-Elektrolyt vor. Dabei konnten sie auch einen Knackpunkt an Festkörperakkus lösen, nämlich die Elektroden und den Elektrolyten so miteinander zu verbinden, dass sich die Ladungen möglichst widerstandsfrei bewegen können.

Rupps Team wendete dafür einen Trick an: Bei der Herstellung der Elektrolytschicht sorgten sie dafür, dass diese eine poröse Oberfläche als Festkörper bekam. Das Material des Minuspols kann direkt mit dem Elektrolyt in fester Form verbunden werden, was einen schnellen Lithiumtransfer im Akku ermöglicht.

Durch den Kniff mit den Poren vergrößerten die Wissenschaftler die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, so dass der Akku-Prototyp sich auch schneller laden lässt als andere Festkörperakkus auf Basis von Lithiumgranat, die weltweit in Labors entwickelt werden.

Ein weitere Vorteil: Mit dem festen Elektrolyt ließe sich auch die Kunststoff-Trennschicht, die den Kurzschluss verhindert, noch dünner machen. "Momentan liegt die Dicke bei etwa zehn Mikrometern. Wir kommen in unserem Labor auf 100 Nanometer runter, also um zwei Größenordnungen flacher", so Rupp.

Bis zur Marktreife dauert es noch fünf Jahre
Bis zur Marktreife solcher Festkörperakkus könnten aber noch fünf Jahre vergehen, sagte die Forscherin. Der Akku ihrer ETH-Gruppe funktioniert beispielsweise derzeit am besten bei 95 Grad. Er kann sich zwar nicht entzünden, ist mit seiner Optimaltemperatur aber noch ein Stück weg von der Anwendung in Smartphones.

Hersteller werden daher vermutlich erst einmal auf bessere Akkuhüllen setzen. Da die Smartphones und damit auch die Akkus aber immer flacher werden sollen, warten die Tech-Konzerne vermutlich sehnsüchtig auf den ersten marktreifen Festkörperakku.

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