Nicht entflammbar

Salz soll Lithium-Ionen-Akkus sicherer machen

(Bild: Djero Adlibeshe - stock.adobe.com)

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien treiben Smartphones, Laptops, andere Unterhaltungselektronik und Elektroautos an. Wenn die Temperatur dieser Batterien jedoch zu hoch ansteigt, funktionieren sie nicht mehr und können Feuer fangen. Eine Portion Salz verspricht nun Abhilfe.

Dass Akkus Feuer fangen, liegt zum Teil daran, dass der Elektrolyt im Inneren der Batterien, der beim Laden und Entladen der Batterie Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden transportiert, entflammbar ist. „Daher wird viel Aufwand betrieben, um einen sicheren Batterieelektrolyten zu entwickeln“, so Rachel Z. Huang, Doktorandin an der Stanford University.

Zusammen mit 19 anderen Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University entwickelte sie einen nicht entflammbaren Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien, der auch bei hohen Temperaturen funktioniert, ohne ein Feuer auszulösen. Ihr Geheimnis? Mehr Salz.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterieelektrolyte bestehen aus einem Lithiumsalz, das in einem flüssigen organischen Lösungsmittel wie Ether oder Carbonat gelöst ist. Dieses Lösungsmittel verbessere zwar die Batterieleistung, indem es dazu beiträgt, die Lithiumionen zu transportieren, sei aber auch ein potenzieller Brandstifter, erläutert die Uni in einer Mitteilung.

Denn Batterien erzeugen während ihres Betriebs Wärme. Und wenn eine Batterie Löcher oder Defekte aufweist, erhitzt sie sich schnell. Bei Temperaturen über 60 Grad Celsius beginnen die kleinen Lösungsmittelmoleküle im Elektrolyt zu verdampfen, verwandeln sich von einer Flüssigkeit in ein Gas und blähen die Batterie wie einen Ballon auf - bis das Gas Feuer fängt und die ganze Sache in Flammen aufgeht.

Der neue Salz-Elektrolyt trotzt den Flammen.

(Bild: Jian-Cheng Lai/Stanford University)

Sicher und leistungsstark
In den letzten 30 Jahren haben Forscher nicht entflammbare Elektrolyte entwickelt, wie z. B. Polymerelektrolyte, bei denen eine Polymermatrix anstelle der klassischen Salz-Lösungsmittel-Lösung verwendet wird, um Ionen zu bewegen. Diese sichereren Alternativen bewegen die Ionen jedoch nicht so effizient wie flüssige Lösungsmittel, sodass ihre Leistung nicht an die der herkömmlichen Elektrolyte heranreicht.

Huang und ihr Team wollten einen Elektrolyten auf Polymerbasis herstellen, der sowohl Sicherheit als auch Leistung bieten konnte. Huang beschloss, einem polymerbasierten Elektrolyten, der von Jian-Cheng Lai, Postdoktorand an der Stanford University und Co-Erstautor der Studie, entwickelt und synthetisiert wurde, so viel Lithiumsalz namens LiFSI wie möglich hinzuzufügen.

„Ich wollte einfach nur sehen, wie viel ich hinzufügen kann, um die Grenzen zu testen“, sagte Huang. Normalerweise besteht ein Elektrolyt auf Polymerbasis zu weniger als 50 Prozent aus Salz. Huang erhöhte diesen Anteil auf 63 Prozent und schuf damit einen der salzhaltigsten Elektrolyte auf Polymerbasis überhaupt.

Im Gegensatz zu anderen Polymerelektrolyten enthielt dieser Elektrolyt auch brennbare Lösungsmittelmoleküle. Der gesamte Elektrolyt, der als Solvent-Anchored Non-Flammable Electrolyte (SAFE) bezeichnet wird, erwies sich jedoch bei Tests in einer Lithium-Ionen-Batterie bei hohen Temperaturen als nicht entflammbar.

SAFE funktioniert, weil die Lösungsmittel und das Salz zusammenwirken. Die Lösungsmittelmoleküle helfen, Ionen zu leiten, was zu einer Leistung führt, die mit der von Batterien mit herkömmlichen Elektrolyten vergleichbar ist. Anstatt jedoch wie die meisten Lithium-Ionen-Batterien bei hohen Temperaturen zu versagen, funktionieren Batterien mit SAFE auch noch bei Temperaturen zwischen 25 und 100 Grad Celsius.

Gleichzeitig wirken die reichlich zugesetzten Salze als Anker für die Lösungsmittelmoleküle und verhindern, dass diese verdampfen und Feuer fangen.

Rachel Huang

(Bild: Jian-Cheng Lai/Stanford University)

Leicht integrierbar
Noch ein Vorteil: Die Lösungsmittel und das Salz in SAFE plastifizieren die Polymermatrix, sodass - genau wie bei herkömmlichen Elektrolyten - eine klebrige Flüssigkeit entsteht. Dieser klebrige Elektrolyt könne in bestehende, handelsübliche Lithium-Ionen-Batterieteile eingebaut werden - im Gegensatz zu anderen nicht entflammbaren Elektrolyten, die bereits auf den Markt gekommen sind. Für keramische Festkörperelektrolyte beispielsweise müssen der Uni zufolge speziell entwickelte Elektroden verwendet werden, was ihre Herstellung kostspielig macht.

„Mit SAFE ist es nicht nötig, irgendetwas an der Produktionsanlage zu ändern“, sagte Huang. „Wenn es jemals für die Produktion verwendet wird, sind natürlich Optimierungen erforderlich, damit der Elektrolyt in die Produktionslinie passt, aber der Aufwand ist viel geringer als bei allen anderen Systemen.“

Weniger Platz für Kühlung, mehr Platz für Akkus
Eine Anwendung von SAFE könnte in Elektroautos sein. Wenn die mehreren Lithium-Ionen-Batterien in einem Elektroauto zu dicht beieinander liegen, können sie sich gegenseitig aufheizen, was schließlich zu Überhitzung und Feuer führen kann. Wenn ein Elektroauto jedoch Batterien enthält, die mit einem Elektrolyten wie SAFE gefüllt sind, der bei hohen Temperaturen stabil ist, könnten die Batterien dicht aneinander gepackt werden, ohne dass eine Überhitzung zu befürchten ist.

Dies würde nicht nur das Brandrisiko verringern, sondern würde auch bedeuten, dass weniger Platz für Kühlsysteme benötigt wird, der stattdessen für zusätzliche Akkus genutzt werden könnte, wodurch sich wiederum die Reichweite von Elektroautos vergrößern ließe. „Es ist also nicht nur ein Sicherheitsvorteil“, sagt Huang. „Mit diesem Elektrolyt könnte man auch viel mehr Batterien unterbringen.“