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.
“Dies ist das erste Mal, dass ein Ansatz eine Kombination aus Verlässlichkeit, schneller Reaktionszeit und Reversibilität bietet – und das ohne die Leistung der Batterie zu verringern”, betonen Chen und seine Kollegen. Der thermoresponsive Polymer-Schalter ermöglicht es, Lithiumionen-Akkus zu konstruieren, die unter normalen Bedingungen exzellent funktionieren, aber bei gefährlicher Erwärmung durch Überhitzung oder Kurzschlüsse sofort abschalten. Das eröffne einen neuen Weg zur Entwicklung sicherer Batterien für viele Alltagsgeräte. Ob sich diese Sicherheitsschicht auch für die besonders leistungsstarken Akkus in Elektroautos eignet, muss allerdings noch getestet werden.
