Optimierte Lithium-Ionen-Akkus ohne Brandgefahr – neue Forschungsergebnisse aus Fernost

Das Risiko von unkontrollierbaren thermischen Reaktionen in Lithium-Ionen-Akkus belastet diese häufig genutzte Energiequelle mit einem permanenten Gefahrenpotenzial. Rapide Überhitzung kann bis hin zur Explosion und zum Brand führen. Forscher suchen deshalb nach Alternativen, die mehr Sicherheit bei Anwendung, Lagerung und Transport bieten.

So hat ein Team an der Universität Texas 2024 Natriumbatterien mittels Natriumnitrat im Elektrolyten sicherer gemacht: Dieses nicht entflammbare Lösungsmittel könnte eine ebenfalls vorhandene Sicherheitsschwachstelle von Natriumbatterien schließen. Doch werden wohl Lithium-Ionen-Batterien wegen ihrer höheren Kapazität auch in Zukunft erste Wahl für die Stromversorgung zahlloser Geräte bleiben. Nun haben Forscher der Chinesischen Universität Hongkong (SAR) und der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (ASTAR) Singapur offenbar auch einen Durchbruch für den Brandschutz von Lithium-Ionen-Akkus erzielt.

Gleicher Aufbau, andere Elektrolytlösung

Die gefährliche Freisetzung von Energie bei Lithium-Batterien kann von inneren Reaktionen oder durch äußere Einflüsse verursacht werden – etwa durch Wärmeeinwirkung oder mechanische Beschädigungen. Wenn sich die Bindung zwischen dem Lithium und negativ geladenen Teilchen löst, wird Hitze freigesetzt. Das kann bis zum Batteriebrand führen. Um diesem Risiko einer plötzlichen thermischen Instabilität zu begegnen, hat die Forschergruppe aus Ostasien die Lithium-Ionen-Batterie neu gedacht, ohne jedoch ihre Konstruktion zu verändern. Zunächst wurden 20 Elektrolytlösungen getestet, bis das geeignete Lösungsmittel identifiziert war. Es beweist seine Wirkung, wenn ein kritischer Temperaturbereich im Akku erreicht ist. Dann wird die weitere Entfaltung der thermischen Reaktion gestoppt.

Nagelprobe erfolgreich bestanden

Die Tests mit der neuen Lithium-Batterie gingen hin bis zur Penetration mit einem Nagel. Selbst dann zeigte die Innovation der Forscher deutlich verbesserte Eigenschaften im Sinne des Brandschutzes als Batteriezellen mit handelsüblichen Elektrolyten. Dieser Typ von Batterien gerät auch dann nicht in Brand, wo konventionelle Akkus längst in Flammen stünden. Der Vorteil gegenüber anderen Labortests: In diesem Fall muss der Akku nicht neu aufgebaut werden, um die erwirkten Brandschutzeigenschaften aufzuweisen. Die Forscher zu den positiven Ergebnissen ihrer Arbeit: „Die Studie verdeutlicht den entscheidenden Einfluss der Ionenassoziation auf das thermische Durchgehen und etabliert eine effektive Strategie zur Erzielung einer verlängerten Zyklenlebensdauer, einer hohen Abschaltspannung und erhöhter Sicherheit bei Lithium-Ionen-Batterien im Amperestundenbereich.“ Die Rede ist von 4.100 Stunden bei einer Kapazitätserhaltung von ca. 81,9 Prozent. Somit wären diese optimierten Akkus auch im Hinblick auf die Kapazität absolut praxistauglich.

Für ein vertieftes Verständnis hier die Studie im Magazin Nature Energy zum Nachlesen.