Neuartiger Schutzschalter für Lithiumionen-Akkus

Schutz gegen das Explodieren: Künftig könnte Lithiumionen-Batterien mit einer integrierten Sicherung gegen das Überhitzen und Explodieren geschützt sein. Der Clou daran: Diese Abschaltung ist reversibel. Sobald der Akku wieder abkühlt, arbeitet er ohne Einbußen weiter – das ist ein absolutes Novum. Erreicht wird dies durch leitfähige Nanopartikel in einer wärmesensiblen Polymerschicht, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Energy“ berichten.

Lithiumionen-Akkus stecken in unzähligen Geräten unseres Alltags – ob Handy, Kamera oder Tablet. Doch sie haben einen Schwachpunkt: Entsteht in ihrem Inneren ein Kurzschluss oder werden sie zu stark erhitzt, dann können sie beginnen zu brennen oder sogar explodieren. Um dies zu verhindern, sind kommerzielle Lithiumionen-Akkus oft mit Sensoren ausgerüstet, die die Batterie bei einer solchen Überhitzung sofort stilllegen sollen.

Polymerschicht mit Nanokugeln

„Doch dieser Prozess ist dann irreversibel und die Batterie funktioniert hinterher nicht mehr“, erklären Zheng Chen von der Stanford University und seine Kollegen. Spezielle Trenner und Schutzbeschichtungen wiederum senken die Leistung der Batterien. Deshalb haben die Forscher nach Methoden gesucht, die Lithiumionen-Akkus sicherer machen, ohne ihre Funktionsfähigkeit oder Leistung zu beeinträchtigen.

Die leitfähigen Nanopartikel der Batterie-Sicherung im Elektronenmikroskop © Stanford University

Chen und seine Kollegen entwickelten dafür ein spezielles Komposit-Material, das als sogenannter thermoresponsiver Polymer-Schalter (TRPS) fungiert. Dieser besteht aus Nickel-Nanopartikeln mit einer gezackten Oberflächenstruktur, die von Graphen überzogen sind. Diese Nanopartikel sind in eine Matrix aus Polyethylen eingebettet – einem Material, dass sich bei Erwärmung ausdehnt. Diese Komposit-Schicht bauten die Forscher in die Kathode einer Lithiumionen-Batterie über der normalen Elektronen-Sammelschicht ein.

Bei Hitze – Abschaltung

Wird nun dieser Akku unter Normalbedingungen betrieben, liegen die leitfähigen Nanopartikel in der Matrix eng beisammen und leiten den Strom direkt an die Sammelschicht weiter. Wenn nun der Akku beginnt, sich bedrohlich aufzuheizen, reagiert der Polymer-Schalter sofort: „Wird die kritische Temperatur von 70 Grad erreicht, sinkt die Leitfähigkeit der Schicht innerhalb einer Sekunde um sieben bis acht Größenordnungen“, berichten Chen und seine Kollegen.

Dies geschieht, indem sich die Polymerschicht soweit dehnt, dass die leitfähigen Nickel-Nanopartikel den Kontakt untereinander verlieren – das Polymer wird zum Isolator. Wie die Forscher berichten, reagiert dieses System 1.000 bis 10.000-fach sensibler als bisherige Sicherheits-Vorrichtungen. Und diese Batteriesicherung reagiert zudem deutlich schneller als bisherige Sensoren.

Danach ist der Akku wieder wie neu

Doch der eigentliche Clou des Systems besteht in seiner Reversibilität: Sobald die Batterie nach dieser Sicherheits-Reaktion wieder auf Raumtemperatur abkühlt, zieht sich das Polymer zusammen und der Akku funktioniert wieder ganz normal. Selbst nach 20 Zyklen dieses Abschaltens und wieder Anschaltens habe es keine Verluste in der Batterieleistung gegeben, berichten die Wissenschaftler.

Und auch generell steht der solcherart nachgerüstete Akku den herkömmlichen Modellen in Nichts nach: „Solche Batterien können ganz normal betrieben werden und arbeiten ohne Einbußen in der elektrochemischen Leistung“, betonen die Wissenschaftler. Zudem lässt sich die Schutzschicht im Zuge der normalen Batterie-Produktion leicht integrieren.

Regelbare Sicherung

„Dies ist das erste Mal, dass ein Ansatz eine Kombination aus Verlässlichkeit, schneller Reaktionszeit und Reversibilität bietet – und das ohne die Leistung der Batterie zu verringern“, betonen Chen und seine Kollegen. Der thermoresponsive Polymer-Schalter ermöglicht es, Lithiumionen-Akkus zu konstruieren, die unter normalen Bedingungen exzellent funktionieren, aber bei gefährlicher Erwärmung durch Überhitzung oder Kurzschlüsse sofort abschalten.

„Wir können sogar die Schwellentemperatur höher oder niedriger stellen, indem wir die Menge der Nanopartikel oder den Polymertyp ändern“, sagt Zhenan Bao von der Stanford University. Das eröffne einen neuen Weg zu sicheren Batterien für viele Alltagsgeräte. Ob sich diese Sicherheitsschicht auch für die besonders leistungsstarken Akkus in Elektroautos eignet, muss allerdings noch getestet werden. (Nature Energy, 2016; doi: 10.1038/nenergy.2015.9)

(Stanford University / Nature, 13.01.2016 – NPO)