Batterie warnt, bevor sie explodiert

Schluss mit Kurzschluss: Durch einen einfachen Schutz lässt sich die Brand- und Explosionsgefahr von Lithium-Ionen-Akkus deutlich vermindern. US-Forscher haben ein Warnsystem entwickelt, dass bereits frühzeitig über drohende Explosionsgefahr im Akku informiert. Von Mobiltelefonen über Elektroautos bis zu Flugzeugen könnten Batterien von der zusätzlichen Sicherheit profitieren.

Plötzlich steht der Akku eines Mobiltelefons in Flammen – möglicherweise sogar in der Tasche des Besitzers. Solche Berichte sind zwar selten, beunruhigen aber regelmäßig die Nutzer von tragbaren elektronischen Geräten, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden. Noch dramatischer sind die Konsequenzen bei größeren Batterien: Im Jahr 2013 musste die gesamte Flotte der Boing 787 Dreamliner zunächst am Boden bleiben, nachdem in zwei Fliegern die verwendeten Lithium-Batterien in Flammen aufgegangen waren. Die Firma Sony rief 2006 Millionen von Laptop-Akkus zurück: Fehler im Herstellungsprozess hatten in mehr als zehn Fällen zu einem Brand geführt.

Brandgefährlich durch entflammbaren Elektrolyten

„Die Wahrscheinlichkeit, dass so etwas passiert, ist vielleicht eins zu einer Million“, sagt Yi Cui von der kalifornischen Stanford University. „Das ist aber immer noch ein großes Problem, bei hunderten von Millionen Computern und Mobiltelefonen, die jedes Jahr verkauft werden.“ Auch viele Elektroautos benutzen Lithium-Ionen-Batterien, manche sogar tausende in einem Block. Wenn nur eine davon Feuer fängt, warnen die Forscher, könnte der ganze Batterieblock explodieren. Cui und seine Kollegen haben darum eine Batterie entwickelt, mit der sie die Gefahr einer brennenden Batterie auf eins zu einer Milliarde oder sogar ganz auf null senken wollen.

Der Grund für die Brandgefahr liegt in der Bauweise einer typischen Lithium-Ionen Batterie: Sie besteht aus einer Kohlenstoff-Anode und einer Lithiumoxid-Kathode. Diese Elektroden sind durch eine ultradünne Polymerschicht voneinander getrennt. Eine Elektrolyt-Lösung erlaubt es den Lithium-Ionen, von einer Elektrode zur anderen zu wandern, damit der Strom fließt – Poren in der Trennschicht lassen dies zu. Wird die dünne Polymerschicht jedoch beschädigt, kann in der Batterie ein Kurzschluss auftreten. Dabei entsteht ausreichend Hitze, um die brennbare Elektrolytlösung zu entzünden.

Frühwarnsystem entdeckt bohrendes Lithium

Cui und sein Team haben ein Frühwarnsystem entwickelt, das bestimmte Schäden an der Trennschicht aufspürt, bevor sie kritisch werden. Gefährlich ist besonders das Aufladen: Geschieht dies zu schnell oder bei niedrigen Temperaturen, kann die Batterie überladen werden. „Beim Überladen bleiben Lithium-Ionen an der Anode hängen und häufen sich an“, erklärt Cui. „Dabei bilden sie Ketten aus Lithium, sogenannte Dendriten. Die Dendriten können die poröse Trennschicht durchbohren und schließlich den Kontakt zur Kathode schließen, was einen Kurzschluss auslöst.“

Das Frühwarnsystem besteht aus einer dünnen Kupferschicht (rechts), welche die Polymer-Trennschicht (links) verstärkt. © Mark Shwartz, Precourt Institute for Energy, Stanford University

Die Forscher beschichteten darum die dünne Polymer-Trennschicht mit einer noch dünneren Lage Kupfer von nur 50 Nanometern Dicke. Dadurch entsteht eine dritte Elektrode, auf halber Strecke zwischen Anode und Kathode. „Die Kupferschicht funktioniert wie ein Sensor, mit dem sich der Spannungsunterschied zwischen Anode und Trennschicht messen lässt“, erklärt Koautorin Denys Zhuo. „Wenn die Dendriten lang genug wachsen und die Kupferschicht erreichen, fällt diese Spannung auf null. Damit weiß man, dass die Dendriten halb durch die Batterie gewachsen sind.“

Keine Warnung bei Unfällen oder Herstellungsfehlern

Nach dieser Warnung sollte man die Batterie dann schnell entfernen, bevor die wachsenden Dendriten bis zur Kathode reichen und tatsächlich einen Kurzschluss auslösen. Bei einem im Telefon verbauten Akku könnte das Gerät dann zum Beispiel eine Warnmeldung anzeigen. Damit hätte der Nutzer ausreichend Zeit, das Telefon abzuschalten, bevor es zu spät ist und die Batterie Feuer fängt.

Allerdings warnt das neue System nur vor solchen Fehlern, die beim normalen Betrieb der Batterie auftreten. Bei einem heruntergefallenen oder in einem ähnlichen Unfall beschädigten Akku schlägt es nicht an. Auch Fehler im Herstellungsprozess, wie sie bei den schadhaften Sony-Laptop-Akkus verantwortlich waren und bei denen die Trennschicht bereits zuvor löchrig war, lassen sich damit nicht entdecken.

Grundsätzlich lässt sich die Frühwarn-Technologie jedoch auch in Zink-, Aluminium- oder anderen Metall-Batterien verwenden. Cui fasst zusammen: „Es wird in jeder Batterie funktionieren, in der man einen Kurzschluss entdecken muss, bevor sie explodiert.“

(Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms6193)

(Stanford University, 14.10.2014 – AKR)