Gummiartiger Elektrolyt macht Li-Ionen-Batterien sicherer

Ein eklig-klebriger Kaugummiknäuel unter Ihrem Schuh ist auf jeden Fall ärgerlich, aber was den Kaugummi klebrig macht, kann dazu führen, dass Ihr Laptop oder Ihre Netzspeicherbatterie bald nicht explodiert.

Forscher der Washington State University haben eine neue Klasse gummiartiger Elektrolytmaterialien entwickelt, von denen sie behaupten, dass sie die Sicherheit von Li-Ionen-Batterien erheblich verbessern können, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Li-Ionen-Batterien sind die beliebteste wiederaufladbare Batterietechnologie und hatten im Jahr 2009 einen Anteil von 37 % am Markt für wiederaufladbare Batterien. Sie werden in allem verwendet, von Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos, und haben in großem Umfang den Energiespeichermarkt erobert.

Obwohl allgegenwärtig, bestehen die in den meisten Li-Ionen-Batterien verwendeten Elektrolyte aus einem stark korrosiven und brennbaren flüssigen Elektrolyten, der eine sorgfältige elektronische Steuerung erfordert, um eine Überladung und Kurzschlüsse der Batterien zu verhindern, die beide zur Explosion der Batterien führen können. Frühe Kritik führte dazu, dass Batteriehersteller Flammschutzmittel und Temperatursensoren verwendeten, um solche Risiken zu mindern, und auch heute noch werden Li-Ionen-Batterien im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien und anderen Batterietypen strengeren Zuverlässigkeitstests unterzogen. Allerdings lösen solche Ansätze, wie Professorin Katie Zhong von der Washington State University (Bild oben) sagt, „das Sicherheitsproblem nicht grundlegend“.

Es wurden Versuche unternommen, den flüssigen Elektrolyten durch feste Alternativen zu ersetzen (z. B. in Lithium-Polymer-Batterien); Allerdings haben solche Batterien tendenziell eine geringere Energiedichte (sie erfordern größere Batterien, um die gleiche Energiemenge zu speichern) und eine kürzere Lebensdauer (die elektrische Verbindung zwischen den Batteriekomponenten ist schwieriger aufrechtzuerhalten).

Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, haben Prof. Zhong und ihr Team ein gummiartiges Material entwickelt, das aus einem flüssigen Elektrolyten besteht, der in einer Matrix aus festem Wachs oder wachsähnlichen Partikeln suspendiert ist. Während der flüssige Elektrolyt hohe Energiedichten (bessere Leitung) gewährleistet, haftet das Gummi an den übrigen Zellbestandteilen (Anode und Kathode) und bildet zuverlässige Kontakte. Sollte die Zelle zu heiß werden, schmelzen die Wachspartikel und bilden einen Schutzfilm, wodurch die Batterie effektiv abgeschaltet wird, ohne dass Temperatursensoren erforderlich sind (siehe Grafik unten).

Bildnachweis: Yu Wang et al. / Advanced Energy Materials

Ein zusätzlicher Vorteil des leichten und biegsamen gummiartigen Elektrolyten besteht darin, dass die Batterien in Anwendungen wie flexibler Elektronik verwendet werden können, da sie Verdrehungen und Dehnungen (oder im Fall von Elektroautos Zertrümmerungen) ohne Auswirkungen auf die Batterie überstehen Sicherheit oder Leistung.

Noch wichtiger aus Marktsicht ist, dass der gummiartige Elektrolyt vorhandene flüssige Elektrolyte direkt ersetzen und problemlos in bestehende Batteriedesigns integriert werden kann. Da eine Patentanmeldung bereits in Arbeit ist, hofft der Konzern, diesen Vorteil voll ausnutzen zu können und wird bald damit beginnen, seinen Elektrolyten in echten Batterien zu testen.

Wenn sich die jüngsten Prognosen von Navigant Research bewahrheiten, wird die Zukunft der Energiespeicherung hinsichtlich der Batterietechnologien vielfältig sein. Und wenn sich herausstellt, dass sich solche Innovationen in der Produktion als kosteneffizient erweisen, könnte sich Li-Ion weiter zur dominierenden Batterietechnologie der Zukunft entwickeln.

Bildquelle oben: Washington State University