Lithiumionen-Akkus stecken in unzähligen Geräten unseres Alltags – vom Handy über Kameras und Tablets bis hin zu Elektroautos. Doch diese leistungsstarken Batterien haben einen Schwachpunkt: Entsteht in ihrem Inneren ein Kurzschluss oder werden die Akkus von außen zu stark erhitzt, dann können sie sich entzünden oder sogar explodieren. Innerhalb von wenigen Minuten zerfällt die meist aus einem Gemisch von Nickel, Mangan und Kobalt bestehende Kathode im Inneren des Akkus und setzt dabei Energie frei. Eine sich hochschaukelnde thermische Reaktion heizt dann die Batterie in kürzester Zeit auf mehr als 1.000 Grad auf – und sie explodiert. Um dies zu verhindern, sind kommerzielle Lithiumionen-Akkus oft mit Sensoren oder speziellen Separatoren ausgerüstet, die diese Kettenreaktion bremsen oder die Batterie bei einer solchen Überhitzung sofort stilllegen sollen. “Doch dieser Prozess ist dann irreversibel und die Batterie funktioniert hinterher nicht mehr”, erklären Zheng Chen von der Stanford University und seine Kollegen. Spezielle Trenner und Beschichtungen wiederum senken die Leistung der Batterien. Deshalb haben die Forscher nach Methoden gesucht, die Lithiumionen-Akkus sicherer machen, ohne ihre Funktionsfähigkeit oder Leistung zu beeinträchtigen.
Auf der Suche nach einem Sicherheitspuffer für die Batterien entwickelten Chen und seine Kollegen ein spezielles Komposit-Material, das als thermoresponsiver Polymer-Schalter (TRPS) fungiert. Dieser besteht aus Nickel-Nanopartikeln mit einer gezackten Oberflächenstruktur, die von Graphen überzogen ist. Die Nanopartikel sind in eine Matrix aus Polyethylen eingebettet – einem Material, dass sich bei Erwärmung ausdehnt. Diese Komposit-Schicht bauten die Forscher in die Kathode einer Lithiumionen-Batterie über der normalen Elektronen-Sammelschicht ein. Wird nun dieser Akku unter Normalbedingungen betrieben, liegen die leitfähigen Nanopartikel in der Matrix eng beisammen und leiten den Strom direkt an die Sammelschicht weiter. “Solche Batterien können ganz normal betrieben werden und arbeiten ohne Einbußen in der elektrochemischen Leistung”, betonen die Wissenschaftler. Zudem lässt sich die Schutzschicht im Zuge der normalen Batterie-Produktion leicht integrieren.
Abschaltung – schnell und reversibel
Wenn nun der Akku beginnt, sich bedrohlich aufzuheizen, reagiert der thermoresponsive Polymer-Schalter sofort: “Wird die kritische Temperatur von 70 Grad erreicht, sinkt die Leitfähigkeit der Schicht innerhalb einer Sekunde um sieben bis acht Größenordnungen”, berichten Chen und seine Kollegen. Dadurch fließt kein Strom mehr und die Batterie wird sozusagen abgeschaltet. Dies geschieht, indem sich die Polymerschicht soweit dehnt, dass die leitfähigen Nickel-Nanopartikel den Kontakt untereinander verlieren – das Polymer wird zum Isolator. Wie die Forscher berichten, reagiert dieses System 1000 bis 10.000-fach sensibler als bisherige Sicherheits-Vorrichtungen. Doch der eigentliche Clou des Systems besteht in seiner Reversibilität: Sobald die Batterie nach dieser Sicherheits-Reaktion wieder auf Raumtemperatur abkühlt, zieht sich das Polymer zusammen und der Akku funktioniert wieder ganz normal. Selbst nach 20 Zyklen dieses Abschaltens und wieder Anschaltens habe es keine Einbußen in der Leistung der Batterie gegeben, berichten die Wissenschaftler.
