Entwicklung von „feuerfester“ Lithium-Ionen Batterie auf gutem Weg

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Energiespeicher in Form von Batterien bzw. Akkus spielen in vielen Bereichen eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Elektromobilität. Aber auch in vielen anderen Dingen kommen heute Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz, z. B. in Smartphones, Notebooks und vielen mehr.

Lithium-Ionen-Batterien weisen viele Vorteile auf. Sie haben unter anderem eine hohe Energiedichte, können also viel Energie auf kleinem Raum speichern. Zudem halten sie die Ladung lange, entladen sich also nicht so schnell von alleine. Allerdings haben sie auch ein paar Nachteile. Denn sie enthalten giftige und brennbare Materialien, die bei dem kleinsten Defekt zu explodierenden Geräten führen können. In der Vergangenheit ist hierzu einiges durch die Medien gegeistert, unter anderem in Bezug auf Smartphones.

Forscher lösen Probleme

Diese Gefahren könnten in der Zukunft der Vergangenheit angehören. Denn ein Forscherteam des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) hat insgesamt fünf Jahre daran geforscht, um eine möglichst unzerstörbare Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln.

Ein erster Prototyp wurde bereits im Jahr 2017 in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Maryland vorgestellt. Nun ist die Entwicklung noch einen Schritt weiter und das Ergebnis wurde weiter verbessert. Herausgekommen ist eine Batterie mit Lithium-Ionen-Technik, die feuerfest ist, auf die geschossen, die gebogen und in Flüssigkeiten getränkt werden kann, ohne dass sie Schaden nimmt. Und mittlerweile kann sie auch bei der Energieversorgung mit heutigen kommerziellen Produkten mithalten.

Batterie auf Wasserbasis

Die Elektrolyten im Kern der neuen Batterie, die die positiven und negativen Pole trennen, sind eine Mischung aus Lithiumsalzen und einem weichen plastischen Material, das sich nicht entzündet oder explodiert. Dies ist das Geheimnis der unzerstörbaren Batterie.

Bei herkömmlichen Batterien sind die Lithium-Ionen-Elektrolyte eine Mischung aus brennbaren Lithiumsalzen und giftigen Flüssigkeiten. Dies kann schnell zu einer Katastrophe wie eben einem brennenden Gerät führen. Denn berührt durch einen Defekt die Kathode die Anode, entsteht ein Kurzschluss und dadurch viel Wärme. Diese kann ein leicht entflammbares Material wie eben Lithium-Ionen-Elektrolyte schnell in Brand setzen.

Bei ihrer neuen Schöpfung haben die Wissenschaftler hingegen auf eine Batterie auf Wasserbasis gesetzt. Diese sind nicht brennbar und auch nicht giftig. Allerdings hatten sie bisher das Problem, dass sie zu schwach waren. Die Forscher von APL haben aber die Konzentration der Lithiumsalze erhöht und die Elektrolyte mit einem Polymer, ein Material ähnlich weichem Kunststoff, gemischt. So konnte das elektrische Potenzial von wasserbasierten Batterien von eigentlich nur ca. 1,2 Volt auf nun 4 Volt erhöht werden. Dies entspricht auch ungefähr dem Wert einer herkömmlichen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie.

Dank der neuen Materialien ist die Batterie nach Hinzufügen von Anode und Kathode klar und flexibel wie eine Kontaktlinse, ungiftig und nicht brennbar. Zudem kann sie ohne schützende Schicht nicht nur im Freien hergestellt, sondern auch verwendet werden. Und sie ist sehr stabil, wie allerhand Tests wie ein ballistischer Aufprall oder Schnitte mit einer Schere bewiesen. Selbst nach einem Brand hat die Batterie noch einwandfrei funktioniert.

Erste Gespräche laufen

Laut Aussagen von Jeff Maranchi, Programmmanager für Materialwissenschaften bei APL, waren die Forscher überrascht über das eigene Ergebnis. Die neue Chemie in ihrem Formfaktor kann ohne große Probleme in bestehende Lithium-Ionen-Produktionsanlagen integriert werden. Erste Gespräche mit bisher unbekannten Herstellern sollen bereits laufen. So könnte die neue Batterietechnologie binnen der nächsten zwei Jahre in den Handel kommen. Es sind aber noch ein paar Details zu verbessern, z. B. die Anzahl der möglichen Ladezyklen. Die liegt aktuell beim APL-Akku bei nur rund 100, während herkömmliche Batterien über 1.000 mal geladen werden können.

Ein weiterer Pluspunkt ist, dass es sehr vielseitig einsetzbar ist. Nicht nur Elektronikprodukte wie Smartphones kommen in Frage. Es kann sogar direkt in Kleidungsfasern eingearbeitet werden. Eine Vielzahl von militärischen und wissenschaftlichen Anwendungen wie autonomen Unterwasserfahrzeugen, Drohnen und Satelliten sind aufgrund der Robustheit ebenfalls denkbar. Wir können auf jeden Fall gespannt sein, wo die neue Batterietechnologie von APL in Zukunft eingesetzt wird.

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