Lithium-Ionen-Batterien versorgen eine Vielzahl von Geräten mit Strom, von Smartphones und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen. Diese Batterien sind zwar praktisch, stellen jedoch ein Sicherheitsrisiko dar: Wenn sie beschädigt oder verbogen werden, können sie sich in einer gefährlichen Kettenreaktion entzünden. Den Forschern ist jedoch ein bedeutender Durchbruch gelungen, indem sie eine Möglichkeit aufgezeigt haben, durch eine überraschend einfache Modifikation – die Änderung nur eines Materials innerhalb der Batteriekonstruktion – an sich sicherere Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen. Dieser Fortschritt könnte in den nächsten Jahren zur Massenproduktion sichererer Batterien führen.
Das Risiko verstehen: Thermal Runaway
Lithium-Ionen-Batterien funktionieren nach einem bestimmten Design: einer Graphitelektrode, einer Metalloxidelektrode und einem Elektrolyten, der aus einem in einem Lösungsmittel gelösten Lithiumsalz besteht. Dieser flüssige Elektrolyt ermöglicht den Fluss von Lithiumionen und ermöglicht so das Laden und Entladen der Batterie. Allerdings macht gerade dieses Design sie angreifbar. Wenn eine Batterie beschädigt – durchbohrt oder verbogen – wird, wodurch ein Kurzschluss entsteht, kann die gespeicherte chemische Energie extrem schnell freigesetzt werden. Diese schnelle Energiefreisetzung löst einen Prozess namens „thermisches Durchgehen“ aus, der zu einem Brand oder sogar einer Explosion führt.
Aktuelle Sicherheitslösungen und der neue Ansatz
Wissenschaftler haben verschiedene Strategien untersucht, um dieses Risiko zu mindern. Einige Ansätze beinhalten Schutzgele oder feste Ersatzstoffe für den flüssigen Elektrolyten. Ein Team der Chinesischen Universität Hongkong hat jedoch ein neues Design entwickelt, das die bestehende Batteriearchitektur beibehält. Ihre entscheidende Innovation liegt in der Änderung des Elektrolytmaterials, wodurch Produktionskosten und Herstellungsprozesse relativ unverändert bleiben.
Der Schlüssel: Isolierung des „Bad Boy“-Anions
Die Hauptursache für das thermische Durchgehen ist der Abbau chemischer Bindungen. Konkret lösen negativ geladene Ionen, sogenannte Anionen, ihre Bindungen zum Lithium innerhalb der Batterie. Dieser Bindungsbruch setzt Wärme frei und beschleunigt den Zerstörungszyklus.
Um dies zu verhindern, führten die Forscher ein sekundäres Lösungsmittel namens Lithium-bis(fluorsulfonyl)imid ein. Dieses neue Lösungsmittel bindet Lithium erst bei höheren Temperaturen, insbesondere wenn das thermische Durchgehen bereits beginnt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Lösungsmittel erlaubt dieses neue Material keine Bildung von Anionenbindungen und unterbindet so effektiv die Quelle der eskalierenden Wärmefreisetzung. In einer Demonstration erwärmte sich eine Batterie, die dieses neue Lösungsmittel verwendete, beim Durchstechen mit einem Nagel nur um 3,5 °C, ein starker Kontrast zu dem Temperaturanstieg von 500 °C, der bei herkömmlichen Batterien beobachtet wurde.
„Der böse Junge ist das Anion, das über viel Bindungsenergie verfügt – und das Aufbrechen dieser Bindungen führt zum thermischen Durchgehen“, erklärt Gary Leeke von der University of Birmingham. „Dieser neue Ansatz isoliert den bösen Jungen von diesem Prozess – es ist ein großer Fortschritt in Bezug auf die Batteriesicherheit.“
Leistung und Zukunftsaussichten
Die modifizierten Batterien haben eine vielversprechende Leistung gezeigt. Tests ergaben, dass sie nach 4.100 Betriebsstunden noch 82 Prozent ihrer Kapazität beibehielten, was sie mit der vorhandenen Technologie konkurrenzfähig macht. Experten gehen davon aus, dass dieses innovative Lösungsmittel in die nächste Generation von Batterien integriert werden kann und den Weg zur Massenproduktion innerhalb von drei bis fünf Jahren ebnet. Dieser Fortschritt stellt einen bedeutenden Schritt hin zu einer sichereren und zuverlässigeren Energiespeicherung für ein breites Anwendungsspektrum dar. > Dieser relativ einfache Materialwechsel verspricht, die Batteriesicherheit zu revolutionieren und das Risiko von Bränden und Explosionen in Alltagsgeräten und Elektrofahrzeugen zu minimieren.
