Mehr Sicherheit durch Salz in Lithium-Ionen-Akkus

Batterien entzünden sich zum Teil aufgrund des entflammbaren Elektrolyten in der Batterie, welcher Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden transportiert, während die Batterie geladen oder entladen wird. „Daher wird viel Aufwand betrieben, um einen sicheren Batterieelektrolyten zu entwickeln“, sagte Rachel Z. Huang, Doktorandin an der Stanford University.

Zusammen mit 19 anderen Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University entwickelte Huang einen nicht entflammbaren Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien, der ebenfalls bei hohen Temperaturen arbeitet, ohne ein Feuer zu entfachen. Das Geheimnis? Ein höherer Salzanteil.

Herkömmliche Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Lithiumsalz, welches in einem flüssigen organischen Lösungsmittel, wie Carbonat oder Ether gelöst ist. Während dieses Lösungsmittel die Batterieleistung verbessere, indem es beim Transport von Lithiumionen hilft, kann es allerdings auch Brände verursachen, erklärt die Universität in einer Mitteilung.

Eine Batterie erzeugt während des Betriebs Wärme. Wenn eine Batterie Defekte oder Löcher hat, wird sie sehr schnell sehr heiß. Bei Temperaturen über 60 °C beginnen die kleinen Lösungsmittelmoleküle im Elektrolyten zu verdampfen und wandeln ihren Aggregatzustand von flüssig in gasförmig um. Dieser Vorgang würde dann die Batterie wie einen Ballon aufblähen, bis sich das Gas entzündet und schließlich einen Brand auslöst.

Leistungsstark und sicher

Forscher haben in den letzten 30 Jahren nicht entflammbare Elektrolyte entwickelt, wie z. B. Polymerelektrolyte, bei denen eine Polymermatrix statt der üblichen Salz-Lösungsmittel-Lösung eingesetzt wird, um Ionen zu bewegen. Die erforschten sicheren Alternativen bewegen die Ionen allerdings langsamer als die herkömmlichen Lösungsmittel, wodurch diese Elektrolyten nicht so leistungsstark sind.
Huang und ihr Team wollten sowohl die Leistung als auch Sicherheit mit einem Elektrolyten auf Polymerbasis gewährleisten. Jian-Cheng Lai (Postdoktorant an der Stanford University und Co-Erstautor der Studie) synthetisierte und entwickelte einen polymerbasierten Elektrolyten, dem Huang so viel Lithiumsalz (LiFSI) wie möglich hinzufügte. „Ich wollte einfach nur sehen, wie viel ich hinzufügen kann, um die Grenzen zu testen“, sagte Huang. Sie erhöhte den Salzanteil der polymerbasierte Elektrolyt von 50 % auf 63 % und erzeugte damit einen der salzhaltigsten polymerbasierten Elektrolyten.

Im Gegensatz zu anderen Polymerelektrolyten waren in diesem Elektrolyten auch brennbare Lösungsmoleküle enthalten. Jedoch erwies sich der gesamte Elektrolyt, der als Solvent-Anchored Non-Flammable Electrolyt (SAFE) bezeichnet wird, bei Tests in einer Lithium-Ionen-Batterie als nicht entflammbar. Die Lösungsmittel helfen dabei, die Ionen zu leiten und erreichen eine Leistung, die mit der von klassischen Elektrolyten vergleichbar ist. Das Salz verhindert wiederum, dass die Lösungsmittelmoleküle verdampfen und entflammen. Die Batterien mit SAFE arbeiten auch zuverlässig bei 25 bis 100 °C ­– anstatt wie die meisten Lithium-Ionen-Batterien zu versagen.

Einfach zu integrieren

Ein weiterer Vorteil: die Lösungsmittel und Salze in SAFE plastifizieren die Polymermatrix, wodurch wie bei klassischen Elektrolyten eine klebrige Flüssigkeit entsteht. Im Gegensatz zu anderen nicht brennbaren Elektrolyten kann dieser klebrige Elektrolyt in bestehende, handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien eingebaut werden.
„Mit SAFE ist es nicht nötig, irgendetwas an der Produktionsanlage zu ändern“, sagte Huang. „Wenn es jemals für die Produktion verwendet wird, sind natürlich Optimierungen erforderlich, damit der Elektrolyt in die Produktionslinie passt, aber der Aufwand ist viel geringer als bei allen anderen Systemen.“

Mehr Platz für Akkumulatoren, weniger Platz für Kühlung

Wenn Elektroautos Batterien enthalten, die mit hoch-temperaturstabilen Elektrolyten wie SAFE gefüllt sind, können die Batterien ohne Überhitzungsrisiko dicht beieinander platziert werden. Dies reduziert nicht nur die Brandgefahr, sondern bedeutet auch, dass weniger Platz für das Kühlsystem benötigt wird. Stattdessen könnte man den Platz für zusätzliche Akkus verwenden und damit die Reichweite der Elektroautos vergrößern. „Es ist also nicht nur ein Sicherheitsvorteil“, sagt Huang. „Mit diesem Elektrolyten könnte man auch viel mehr Batterien unterbringen.“

Quelle: krone.at, Sebastian Räuchle, 10.12.2022
Bild: Rupert Kittinger-Sereinig auf Pixabay