Lithium-Ionen-Batterien ausbremsen, um Brände zu verhindern

Neue Technologie könnte Li-Ionen-Batterien sicherer machen, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen

17.11.2022 - USA

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) werden dank der großen Energiemengen, die sie auf kleinem Raum speichern können, für die Stromversorgung von Smartwatches bis hin zu Elektrofahrzeugen verwendet. Wenn sie jedoch überhitzt werden, können sie Feuer fangen oder sogar explodieren. Neue Forschungsergebnisse, die in den Nano Letters von ACS veröffentlicht wurden, bieten eine mögliche Lösung: - eine neue Technologie, die eine Li-Ionen-Batterie schnell ausbremsen und abschalten kann, wenn sie zu heiß wird.

Die Chemie in vielen Batterien ist im Wesentlichen dieselbe: Elektronen werden durch ein elektronisches Gerät in einem Schaltkreis von einer Elektrode in der Batterie zu einer anderen transportiert. In einer Lithium-Ionen-Batterie kann die Elektrolytflüssigkeit, die diese Elektroden voneinander trennt, bei Überhitzung jedoch verdampfen und einen Kurzschluss verursachen. In bestimmten Fällen kann ein Kurzschluss zu einem thermischen Durchgehen führen, einem Prozess, bei dem sich eine Zelle unkontrolliert erhitzt. Wenn mehrere Li-Ionen-Zellen aneinandergereiht sind - wie z. B. in Elektrofahrzeugen - kann sich der thermische Durchschlag von einer Einheit auf die nächste ausbreiten und zu einem sehr großen, schwer zu bekämpfenden Feuer führen. Um dies zu verhindern, verfügen einige Batterien inzwischen über Sicherheitsvorkehrungen wie externe Belüftungsöffnungen, Temperatursensoren oder flammhemmende Elektrolyte. Aber diese Maßnahmen greifen oft entweder zu spät oder beeinträchtigen die Leistung. Yapei Wang, Kai Liu und ihre Kollegen wollten daher eine Lithium-Ionen-Batterie entwickeln, die sich selbst schnell abschalten kann, dabei aber genauso gut funktioniert wie die bestehenden Technologien.

Die Forscher verwendeten ein thermisch reagierendes Formgedächtnispolymer, das mit einem leitfähigen Kupferspray überzogen war, um ein Material zu schaffen, das die meiste Zeit über Elektronen durchlässt, aber bei übermäßiger Erwärmung zu einem Isolator wird. Bei etwa 197 F entstand ein mikroskopisch kleines, in das Polymer einprogrammiertes 3D-Muster, das die Kupferschicht aufbrach und den Elektronenfluss stoppte. Dadurch wurde die Zelle dauerhaft abgeschaltet, aber ein möglicher Brand verhindert. Bei dieser Temperatur liefen herkömmliche Zellen jedoch weiter, so dass die Gefahr eines thermischen Durchgehens bestand, wenn sie wieder heiß wurden. Bei normalen Betriebstemperaturen behielt die Batterie mit dem neuen Polymer eine hohe Leitfähigkeit, einen niedrigen Widerstand und eine ähnliche Lebensdauer wie eine herkömmliche Batteriezelle bei. Den Forschern zufolge könnte diese Technologie Lithium-Ionen-Batterien sicherer machen, ohne dass sie an Leistung einbüßen müssen.

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