Sichere Akkus: Lithium-Metall-Batterien mit integriertem Flammschutzmittel
Lithium-Metall-Batterien sind energiereich, können jedoch bei Überhitzung schnell in Brand geraten. Ein Polymer soll das verhindern.
(Bild: Immersion Imagery/Shutterstock.com)
Ein chinesisches Forschungsteam des Institute of Chemistry der Chinese Academy of Sciences hat eine Lithium-Metall-Batterie mit einem Flammschutzmittel ausgestattet, das bei Gefahr Brände durch Überhitzung vermeiden kann. Damit ausgestattete Geräte sollen so besser vor Bränden geschützt sein.
Lithium-Metall-Batterien haben eine etwa zehnmal höhere Energiedichte als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings überhitzen diese wiederaufladbaren Energieträger leicht, können explodieren und in Flammen aufgehen. Die Gefahr ergibt sich aus deren Zusammensetzung, wie die Wissenschaftler in der Studie "A fire-safe Li metal battery via smart gas management" schreiben, die in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) erschienen ist. Demnach können die in den Batterien enthaltenen Lithium-Metall-Anoden mit den hochspannungsfähigen nickelreichen Oxid-Kathoden reagieren und dabei brennbare Gase erzeugen. Eine geringfügige Überhitzung kann dann bereits ausreichen, um einen Brand oder eine Explosion auszulösen.
Integrierter Brandschutz
Die chinesischen Forscher begegnen dem Problem, indem sie in die Kathode des Akkus ein Polymer einfügen, das bei ansteigender Erhitzung feuerhemmende Chemikalien freisetzt. Bei Betriebstemperaturen passiert nichts. Überschreitet die Temperatur der Batterie jedoch 100 °C, zerfällt das Polymer. Dabei werden Radikale freigesetzt, die eine chemische Reaktion an der Anode verhindern. Dadurch können sich keine brennbaren Gase bilden.
Die Forscher testeten ihre Batterie mit dem Flammschutzmittel und verglichen sie mit einer herkömmlich aufgebauten Lithium-Metall-Batterie. In ihren Versuchen erhöhten die Wissenschaftler die Temperatur der Batterien schrittweise ab 50 °C. Die Überhitzung beider Batterien setzte bei etwa 100 °C ein. Die Batterie mit dem Flammschutzmittel aktivierte dann automatisch den Brandschutz. Ab 120 °C geriet die herkömmliche Batterie außer Kontrolle und erreichte selbstständig etwa 1000 °C. Innerhalb von 13 Minuten geriet sie in Brand. Die Batterie mit der Flammunterdrückung erreichte lediglich eine Maximaltemperatur von 220 °C. Die Batterie fing kein Feuer und explodierte auch nicht.
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Die Forscher denken, dass ihre Flammschutztechnik die Sicherheit von energiereichen Lithium-Metall-Batterien erhöhen kann. Bisher werden sie aufgrund der bestehenden Brandgefahr weniger in Geräten eingesetzt. Auch in Elektroautos kommen sie aufgrund der Sicherheitsrisiken nicht zum Einsatz. Die Wissenschaftler sind der Meinung, dass ihr integriertes Flammschutzmittel die Batterieart auch für Elektroautos tauglich machen könnte. An der Herstellung soll es nicht liegen. Das Flammschutzmittel kann mit wenigen Änderungen in der Produktion in die Batterien integriert werden.
(olb)
