Lithium-Ionen-Batterien
Mehr Salz als Flammschutz
Ein Team am SLAC National Accelerator Laboratory hat einen Polymer-Elektrolyten gefunden, der sowohl Ionen gut leitet als auch nicht brennbar ist – einfach mit mehr Leitsalz. Zudem ließen sich Batteriezellen mit diesem Elektrolyten auch dichter packen, weil sie bis +100 °C stabil sind.
Herkömmliche Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien basieren auf einem Lithiumsalz, das in einer organischen Flüssigkeit gelöst ist. Diese Lösungsmittel transportieren Lithiumionen gut, sind aber auch potenzielle Brandstifter. Batterien erwärmen sich im Betrieb, und wenn sie Risse oder Defekte aufweisen, erhitzen sie sich umso schneller. Bei Temperaturen über +60 °C beginnt das Lösungsmittel zu verdampfen. Dies bläht die Batterie auf wie einen Luftballon – bis das Gas sich schließlich entzündet und die ganze Batterie abbrennt.
Über Jahrzehnte hinweg haben Forschende nicht brennbare Elektrolyte entwickelt, beispielsweise Polymer-Elektrolyte, die eine Polymermatrix verwenden, um Ionen zu bewegen. Allerdings bewegen sich die Ionen in diesen sichereren Alternativen nicht so effizient wie in Flüssigkeiten, weshalb ihre Leistungsmerkmale nicht an die von flüssigen Elektrolyten heranreichen.
Einfach mehr salzen
Ein Team am SLAC National Accelerator Laboratory an der Stanford University wollte einen Elektrolyten auf Polymerbasis herstellen, der sowohl sicher als auch leistungsfähig sein sollte. Rachel Z. Huang, Doktorandin an der Stanford University, fügte einem Polymer-Elektrolyten von Jian-Cheng Lai, einem Postdoktoranden an der Stanford University, möglichst viel von dem Lithiumsalz LiFSI hinzu. »Ich wollte einfach mal die Grenzen auszutesten«, so Huang. Normalerweise besteht ein Polymer-Elektrolyt zu weniger als 50 Prozent aus Salz. Huang erhöhte diesen Anteil auf 63 Prozent.
Im Gegensatz zu anderen Polymer-Elektrolyten enthielt dieser auch brennbare Lösungsmittel. Trotzdem ließ sich der komplette Elektrolyt namens Solvent-Anchored Non-Flammable Electrolyte (SAFE) bei Tests in einer Lithium-Ionen-Batterie auch bei hohen Temperaturen nicht entzünden. Das liegt am Zusammenspiel von Lösungsmitteln und Salz. Die Moleküle des Lösungsmittels helfen, Ionen zu leiten, sodass die Leistungsmerkmale dieser Batterie mit denen von Batterien mit herkömmlichem Elektrolyten vergleichbar sind.
Doch anstatt wie die meisten Lithium-Ionen-Batterien bei hohen Temperaturen zu versagen, funktionieren Batterien mit SAFE bei Temperaturen bis +100 °C. Gleichzeitig wirken die reichlich zugesetzten Salze als Anker für die Lösungsmittel-Moleküle und verhindern, dass diese verdampfen und sich schließlich entzünden.
Kompatibel zu aktuellen Fertigungsprozessen
Dieser neue Elektrolyt lässt sich in bestehenden, handelsüblichen Lithium-Ionen-Batteriezellen verwenden, im Gegensatz zu vielen anderen nicht entflammbaren Elektrolyten. Keramische Festkörperelektrolyte beispielsweise benötigen spezielle Elektroden, die in der Herstellung sehr teuer sind. »Mit SAFE ist es nicht nötig, irgendetwas an der Fertigung zu ändern«, sagte Huang. »Natürlich sind Optimierungen in die Fertigungslinie erforderlich, aber der Aufwand ist viel geringer als bei allen anderen Systemen.«
Höhere Packungsdichte machbar
In einem Elektroauto sind viele Lithium-Ionen-Zellen dicht an dicht gepackt, sodass sie sich gegenseitig erwärmen können, was schließlich zu Überhitzung führen und einen Brand auslösen kann. Enthält ein Elektroauto jedoch Zellen, die mit einem Elektrolyten, der auch bei hohen Temperaturen stabil ist, können die Zellen dichter gepackt werden, ohne eine Überhitzung befürchten zu müssen.
Dies verringert nicht nur das Brandrisiko, sondern bedeutet auch, dass weniger Platz für Kühlsysteme benötigt wird und mehr Platz für die Batterien zur Verfügung steht. Größere Batterien erhöhen die Gesamtenergiedichte, was bedeutet, dass das Auto zwischen zwei Aufladungen länger fahren kann. »Es ist also nicht nur ein Sicherheitsvorteil«, so Huang. »Mit diesem Elektrolyten könnte man auch viel mehr Zellen unterbringen.«
Originalpublikation
Huang et al., A solvent-anchored non-flammable electrolyte, Matter, November 30, 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.003
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