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Lithium-Ionen-Batterien

Gewicht der Stromkollektoren um 80 Prozent reduziert

07. Januar 2021, 13:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Gewicht der Stromkollektoren um 80 Prozent reduziert
© Yusheng Ye/Stanford University

Forscher in Stanford und SLAC haben Stromkollektoren neu entwickelt. Damit sollen Lithium-Ionen-Batterien leichter, sicherer und effizienter werden. Sie ersetzten den massiven Kupferleiter (Mitte) durch eine Schicht aus leichtem Polymer, die mit hauchdünnem Kupfer beschichtet ist (oben rechts), und betteten ein Flammschutzmittel in die Polymerschicht ein, um Feuer zu ersticken (unten rechts).

Um das Gewicht von Lithium-Ionen-Batterien zu senken, haben Wissenschaftler der Stanford University und des SLAC nun die Stromkollektoren ins Visier genommen. Durch eine Sandwich-Bauweise konnten sie das Gewicht dieser schwersten Batteriekomponente um 80 Prozent reduzieren.

»Stromkollektoren wurden immer als totes Gewicht betrachtet. Und bis jetzt ist es nicht gelungen, diesen Umstand zu nutzen, um die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhöhen«, sagt Yi Cui, Professor am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums und Wissenschaftler am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), der die Forschung leitete. »Aber in unserer Studie konnten wir die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ­– also wie viel Energie sie pro Gewicht speichern können – um 16 bis 26 Prozent erhöhen, indem wir den Kollektor um 80 Prozent leichter machten. Verglichen mit der durchschnittlichen Steigerung der Energiedichte von zuletzt drei Prozent pro Jahr ist das ein Riesenfortschritt.«

Außerdem konnten die Forscher das Flammschutzmittel Triphenylphosphat (TPP) in die Stromkollektoren integrieren, sodass diese neuen Lithium-Ionen-Akkus zudem sicherer sind.

Gewichtsverlust verzweifelt gesucht

Unabhängig davon, ob Lithium-Ionen-Batterien nun eine Zylinder- oder Pouch-Form haben, verfügen sie über zwei Stromkollektoren – einen für jede Elektrode. Diese verteilen den Strom, der in die eine bzw. aus der anderen Elektrode fließt, und machen 15 bis 50 Prozent des Gewichts einiger leistungsstarker oder ultradünner Batterien aus. Ein geringeres Gewicht der Batterie ist wünschenswert, denn dadurch lassen sich leichtere Geräte bauen und das Gewicht von Elektrofahrzeugen reduzieren. Da mehr Energie pro Gewicht gespeichert werden kann, können sowohl Elektrogeräte als auch Elektrofahrzeuge zwischen den Ladevorgängen länger genutzt werden.

Batterieforscher haben versucht, das Gewicht der Stromkollektoren zu reduzieren, indem sie diese dünner oder poröser machten. Allerdings haben diese Ansätze unerwünschte Nebeneffekte, beispielsweise wurden die Batterien brüchiger oder chemisch instabiler. Außerdem benötigten sie mehr Elektrolyt, was die Kosten in die Höhe trieb, erklärte Yusheng Ye, ein Postdoktorand in Cuis Labor, der die Experimente mit dem Gastwissenschaftler Lien-Yang Chou durchführte.

Was das Thema Sicherheit angeht, meinte Ye: »Manche haben versucht, dem brennbaren Elektrolyten ein Flammschutzmittel beizumischen. Aber man kann nur so lange etwas hinzufügen, bis der Elektrolyt zähflüssig wird und die Ionen nicht mehr gut leitet.«

Entwurf eines Polymer-Film-Sandwiches

Nach einer Analyse des Problems entwarfen Cui, Ye und die Doktorandin Yayuan Liu Experimente, um Stromkollektoren auf der Basis von Polyimid herzustellen und zu testen. Dieses Polymer ist feuerbeständig und hält den hohen Temperaturen stand, die entstehen, wenn Batterien schnell geladen werden. Als Flammschutzmittel wurde Triphenylphosphat (TPP) in das Polymer eingebettet, das dann auf beiden Oberflächen mit einer hauchdünnen Kupferschicht überzogen wurde. Das Kupfer sollte nicht nur seine übliche Aufgabe erfüllen, den Strom zu verteilen, sondern auch das Polymer und dessen Flammschutzmittel schützen. 

Diese Veränderungen reduzierten das Gewicht des Stromkollektors um 80 Prozent im Vergleich zu aktuellen Varianten, so Ye. Dadurch steigt die Energiedichte in verschiedenen Batterietypen um 16 bis 26 Prozent, und der Kollektor leitet den Strom genauso gut wie herkömmliche Varianten, ohne sich dabei zu verschlechtern.

Yusheng Ye, Stanford University, lithium-ion batteries
© Yusheng Ye/Stanford University

Lithium-Ionen-Batterien mit marktüblichen Stromkollektoren (obere Reihe) fingen bei offener Flamme Feuer und brannten heftig, bis der gesamte Elektrolyt verbrannt war. Batterien mit den neuen flammhemmenden Kollektoren (untere Reihe) erzeugten schwache Flammen, die innerhalb weniger Sekunden erloschen und auch dann nicht wieder aufloderten, als die Wissenschaftler versuchten, sie erneut anzuzünden.

Bei einer offenen Flamme fingen Pouch-Batterien mit den heute gängigen Stromkollektoren Feuer und brannten heftig, bis der gesamte Elektrolyt verbrannt war (Bild 1). Aber in Batterien mit den neuen flammhemmenden Stromkollektoren kam das Feuer nie richtig in Gang. Sie produzierten sehr schwache Flammen, die innerhalb weniger Sekunden erloschen und auch dann nicht wieder aufflammten, als die Forscher versuchten, sie erneut zu entzünden.

Einer der großen Vorteile dieses Ansatzes, so Cui, ist, dass der neue Kollektor einfach herzustellen und auch kostengünstiger sein dürfte, weil darin ein Teil des Kupfers durch ein kostengünstiges Polymer ersetzt wird. Deshalb sollte es möglich sein, ihn für die großtechnische Fertigung zu skalieren", sagte er. Das Gewicht und die Entflammbarkeit von Batterien zu reduzieren, könnte auch das Recycling stark beeinflussen, da der Transport von recycelten Batterien billiger wird.

Die Forscher haben ein Patent durch Stanford beantragt, und Cui meinte, dass sie mit Batterieherstellern in Kontakt treten werden, um die Möglichkeiten zu sondieren.

Originalpublikation

Y. Ye, et al., Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries, Nat Energy 5, 786–793 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00702-8

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