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Durchbruch bei feuerfesten Lithium-Ionen-Akkus
27.10.2020

Durchbruch bei feuerfesten Lithium-Ionen-Akkus

Forscher der US-amerikanischen Stanford University haben einen Lithium-Ionen-Akku präsentiert, der um 20% effizienter sein soll als Batterien vergleichbarer Größe. Und darüber hinaus gilt er auch als sicherer.

Elektroautos, Laptops, Smartphones – es gibt verschiedenste Einsatzbereiche für Lithium-Ionen-Batterien, mit steigendem Bedarf. Zwei Anforderungsprofile sind dabei besonders wichtig. Einerseits die Akku-Laufleistung, bei Elektroautos geht es um die damit verbundene Reichweite der Fahrzeuge. Andererseits der Aspekt Sicherheit. So gab es in der Vergangenheit bereits negative Berichte über Smartphone-Akkus, die sich ohne ersichtlichen Grund überhitzen, in Flammen aufgehen oder gar explodieren. Das Forscherteam glaubt, mit seiner neuen Technologie beide Anforderungen vereinen zu können.

Im Fokus der Forschung der Mitarbeiter der Stanford University, in Zusammenarbeit mit Experten des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, stehen Stromkollektoren der Batterien, die verändert wurden. „Bisher wurde der Kollektor immer als notwendiges totes Gewicht angesehen und nicht erfolgreich zur Steigerung der Batterieleistung eingesetzt“, so Yi Cui, Leiter dieser Forschung. Yi Cui ist Professor an der SLAC und in Stanford und Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

Lithium-Ionen-Batterien sind mit zwei Stromkollektoren ausgestattet, einen für jede Elektrode. Sie verteilen den in oder aus der Elektrode fließenden Strom und können bis zu 50% des Gewichts ausmachen, dies ist vom Batterietyp abhängig. Heutige Stromkollektoren bestehen normalerweise aus Kupfer- oder Aluminiumfolien, was sie zu einer der schwersten Komponenten der Batterie macht. Leichtere Kollektoren wären dabei natürlich das Ziel, denn gerade Elektroautos müssen den Akku ebenfalls transportieren. Das Gewicht des Akkus geht also klar zulasten der Leistung.

Bislang waren die Versuche, das Gewicht der Stromkollektoren zu verringen, nicht von Erfolg gekrönt. Die Batterien wurden dadurch zum Beispiel chemisch instabiler oder der Elektrolyt-Anteil musste erhöht werden, wodurch die Kosten stiegen. Parallel haben Wissenschaftler daran gearbeitet, die Sicherheit zu erhöhen, indem sie dem Elektrolyten feuerhemmendes Material hinzufügten. Allerdings ging dies zulasten der Leitfähigkeit.

Das Team um Yi Cui entwickelte nun ein leichtes Polymer namens Polyimid, welches Feuer widersteht und den hohen Temperaturen standhält, die durch schnelles Laden der Batterie entstehen. Zudem integrierten sie das feuerhemmende Mittel Triphenylphosphat (TPP) in das Polymer, das sie dann auf beiden Oberflächen mit einer ultradünnen Kupferschicht beschichten. Das Kupfer dient sowohl der Stromverteilung als auch dem Schutz des Polymers. Die Tests zeigten Erstaunliches: Der Kollektor ist durch dieses Sandwich-Design etwa 80% leichter als bei vergleichbaren Modellen, was die Energiedichte des Akkus um 16 bis 26% steigerte. Die Stromleitfähigkeit nahm jedoch nicht ab.



Die Schichtung aus Polymer und Kupfer verringerte somit das Gewicht und erhöhte die Effizienz, auch in punkto Sicherheit gab es Verbesserungen. Das Team führte Experimente durch, um die Entflammbarkeit der Batterie zu beurteilen, mit den heute im Handel erhältlichen Stromkollektoren wie auch mit dem neuen Sandwich-Design. Beide Arten von Geräten waren offenen Flammen ausgesetzt, wobei das heutige Design Feuer fing und in Brand blieb, bis der Elektrolyt vollständig verbrannt war. Beim neuen Polymer-Sandwich-Stromkollektor konnte sich das Feuer nicht durchsetzen, und die Flammen erloschen innerhalb von Sekunden wieder.

Mit einer Patentanmeldung, die bereits eingereicht wurde, hoffen die Forscher nun, mit Batterieherstellern kooperieren zu können, um sie in Designs der nächsten Generation zu integrieren. Eine mögliche Produktion der neuen Batterie soll laut Aussage der Forscher unkompliziert und günstiger sein als ihre bewährten Vorgänger, da ein Teil des Kupfers durch günstiges Polymer ersetzt werden kann.

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Quelle: ingenieur.de, Nicole Lücke, 20.10.2020

Darstellung und Bildausschnitt: Yusheng Ye, Stanford University