Lithium-Ionen-Akku

Damit die Handybatterie nicht explodiert – Trockenakku für mehr Sicherheit

11.08.16 | Autor / Redakteur: Fabio Bergamin / Dr. Ilka Ottleben

Klassische Lithium-Ionen-Akkus sind nicht ganz ungefährlich: Handybatterien können explodieren.
Klassische Lithium-Ionen-Akkus sind nicht ganz ungefährlich: Handybatterien können explodieren. (Bild: gemeinfrei)

Forschende der ETH Zürich entwickelten einen Lithium-Ionen-Akku, der ausschließlich aus festem Material besteht – er enthält weder Flüssigkeiten noch Gele. Selbst bei sehr hohen Temperaturen kann er sich nicht entzünden. Die neuen Akkus haben somit einen Sicherheitsvorteil gegenüber herkömmlichen Batterien, und sie ermöglichen ganz neue Formen des Batteriedesigns.

Zürich/Schweiz – In Lithium-Ionen-Akkus kann man auf kleinem Raum viel Energie speichern. Dies macht sie zur Energiequelle der Wahl für mobile Elektronikgeräte. Handys, Laptops, E-Bikes und Elektroautos werden heute mit solchen Akkus betrieben. Forschende der ETH Zürich haben nun einen Akku-Typen entwickelt, der im Gegensatz zu den herkömmlichen ausschließlich aus festen chemischen Verbindungen besteht und nicht entzündlich ist.

Klassische Lithium-Ionen-Akkus sind nämlich nicht ganz ungefährlich: Mehrfach sind in der Vergangenheit Handybatterien explodiert, was zu Verletzungen geführt hat. Und in der Altstadt von Steckborn am Bodensee brannte vor einem halben Jahr eine ganze Häuserzeile nieder. Ausgelöst wurde der Großbrand durch einen Modellbau-Akku, der Feuer fing, weil er mutmaßlich unsachgemäß aufgeladen wurde.

Festkörperakkus kann man stark erhitzen

In klassischen Lithium-Ionen-Akkus sowie in den meisten anderen Batterien sind der Plus- und Minuspol – die beiden Elektroden – aus festen leitenden Verbindungen gefertigt; zwischen diesen Elektroden bewegen sich Ladungen in einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten. Lädt man einen solchen Akku unsachgemäß auf (überlädt man ihn) oder lässt man ihn in der Sonne liegen, kann sich die Flüssigkeit entzünden oder das Gel kann aufquellen.

Anders in sogenannten Festkörperakkus (engl. solid state batteries), die sich zurzeit in vielen Forschungslabors weltweit in Entwicklung befinden: In ihnen sind nicht nur die Elektroden, sondern auch der dazwischenliegende Elektrolyt aus festem Material gefertigt. „Feste Elektrolyte beginnen nicht zu brennen, selbst wenn sie sehr stark erhitzt werden oder offen an der Luft liegen“, erklärt Jennifer Rupp. Sie ist Professorin für elektrochemische Materialien an der ETH Zürich und leitete die Entwicklung des neuen Akku-Typen.

Forschung an der Grenzfläche

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Festkörperakkus ist, Elektroden und Elektrolyt so miteinander zu verbinden, dass Ladungen möglichst widerstandsfrei zwischen ihnen zirkulieren können. Für diese Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche haben die ETH-Forschenden nun einen verbesserten Herstellungsansatz gefunden.

Im Labor stellten sie einen sandwichartig aufgebauten Akku her: Zwischen den beiden Elektroden liegt eine Schicht einer lithiumhaltigen Verbindung (Lithiumgranat) als fester Elektrolyt. Lithiumgranat gehört zu den Materialien mit der höchsten bekannten Leitfähigkeit für Lithium-Ionen.

„Bei der Herstellung sorgten wir dafür, dass die feste Elektrolytschicht eine poröse Oberfläche erhielt“, sagt Jan van den Broek, Master-Student in Rupps Gruppe und einer der Erstautoren der Studie. Darauf trugen die Forschenden das Material des Minuspols in flüssiger Form auf; es konnte in die Poren eindringen. Schließlich härteten die Wissenschaftler den Akku bei 100 Grad Celsius. „Mit einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten hätte man einen Akku nicht auf so hohe Temperaturen erhitzen können“, so van den Broek. Dank dem Trick mit den Poren konnten die Forschenden die Kontaktfläche zwischen Minuspol und Elektrolyt stark vergrößern, was letztlich den Effekt hat, dass der Akku schneller geladen werden kann.

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