Batteriesicherheit: Feuerfester Lithium-Ionen-Akku

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Ein neuer Ansatz könnte aktuelle Lithium-Ionen-Akkus deutlich effizienter und gleichzeitig sicherer machen. US-Forscher haben ein Bauteil überarbeitet, das bisher als „totes Gewicht“ galt: den Stromkollektor. Ein neues Material macht ihn leichter und zudem feuerfest.

Stromkollektoren machen die Batterien schwer

Lithium-Ionen-Akkus sind mit je zwei Stromkollektoren ausgestattet, einer an jeder Elektrode. Sie bestehen aus Kupfer- oder Aluminiumfolien und verteilen den Strom, der zur Elektrode hin oder von dieser wegfließt. Je nach Batterietyp sind die Stromkollektoren für bis zu 50 Prozent des Gesamtgewichts der Batterie verantwortlich. Deshalb gab es schon einige Versuche, ihr Gewicht zu reduzieren. Bisherige Ansätze, die Kollektoren dünner oder poröser und damit leichter zu machen, waren allerdings nicht erfolgreich. Sie hatten zur Folge, dass die Batterien brüchig und chemisch instabil wurden.

Neues Polymer senkt das Gewicht um 80 Prozent

Jetzt haben Forscher der US-Universität Stanford den Durchbruch mit neuen Materialien geschafft: Sie haben Stromkollektoren mit einem Polymer so umgestaltet, dass sie zwar immer noch aus Kupfer bestehen, aber wesentlich leichter sind. Der leitende Forscher Yi Cui erläutert den Ansatz: „Der Stromkollektor wurde immer als totes Gewicht betrachtet und wurde bis jetzt nicht erfolgreich genutzt, um die Batterieleistung zu erhöhen. Aber in unserer Studie haben wir den Kollektor um 80 Prozent leichter gemacht und so die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien um 16 bis 26 Prozent erhöht.“ Ein großer Sprung im Vergleich zur durchschnittlichen Steigerung um 3 Prozent, die in den letzten Jahren erreicht wurde, betont Cui.

Yi Cui und sein Team entwickelten ein leichtes Polymer namens Polyimid, das den hohen Temperaturen beim Laden und Entladen standhält und feuerfest ist. Außerdem betteten sie das feuerhemmende Mittel Triphenylphosphat (TPP) in das Polymer ein und überzogen beide Oberflächen mit einer ultradünnen Kupferschicht. Das Kupfer leitet einerseits den Strom und schützt andererseits das Polymer.

Das Material ist praktisch nicht entflammbar

Neben der deutlich höheren Energiedichte sind Lithium-Ionen-Akkus mit diesen Stromkollektoren viel sicherer. Hält man herkömmliche Pouch-Batterien an die offene Flamme eines Feuerzeugs, entzünden sie sich schnell und brennen intensiv, bis der Elektrolyt komplett verbrannt ist. Die neuen Batterien mit den Polymer-Stromkollektoren dagegen fingen in Tests viel schlechter Feuer, und entstehende Flammen erloschen innerhalb von Sekunden.

Der neue Stromkollektor hat darüber hinaus den Vorteil, dass er einfach herstellbar und günstig ist. Das Polymer sei billiger als Kupfer, so Studienleiter Cui, und die Skalierung für die kommerzielle Produktion sei absolut machbar. Der Ansatz ist zum Patent angemeldet, und die Forscher wollen nun Batteriehersteller kontaktieren, um über die Möglichkeiten zu sprechen.

Was bedeutet dieser Durchbruch für die Elektromobilität?

Zwar schreiben die Forscher, dass mit dem leichteren Stromkollektor die Energiedichte der Batterie steigt, weil sie insgesamt leichter wird. Das geringere Gewicht soll auch der Reichweite von Elektroautos zugutekommen. Einer der Forscher, Yusheng Ye, weist jedoch darauf hin, dass für eine spürbare Verbesserung der Reichweite von Elektroautos noch mehr Arbeit nötig sei. „Um die Reichweite von beispielsweise 400 Meilen auf 600 Meilen zu erhöhen, müsste mehr Entwicklungsarbeit geleistet werden“, so Ye. Dabei müsse man neben den neuen leichten Stromabnehmern auch die aktiven Teile der Batterien – die Elektroden – betrachten.

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