Forscher integrieren Flammschutzmittel in Separator für Lithium-Ionen-Akkus
Um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen zu erhöhen, haben Forscher einen Separator mit Flammschutzmittel entwickelt.
(Bild: Science Advances / Universität Stanford)
Wenn ein Lithium-Ionen-Akku einen Thermal Runaway erleidet – vulgo "in Brand gerät" –, erfolgt die Zersetzung üblicherweise in mehreren Schritten. Eine der ersten Komponenten, die dabei abfackelt, ist üblicherweise der Elektrolyt, was durch die freiwerdende Energie wiederum Folgeschritte erst möglich macht. Um diese fatale Kettenreaktion zu unterbrechen, haben Forscher der Universität Stanford einen neuartigen Separator im Fachblatt Science Advances vorgestellt: Er besteht aus Mikrofasern, deren hohler Kern ein Flammschutzmittel enthält.
Im Regelbetrieb arbeitet eine Lithium-Ionen-Zelle mit dem neuartigen Separator laut der Forscher ohne Einschränkungen. Erwärmt sich die Zelle hingegen über 150 °C, etwa durch externe Hitzequellen oder einen internen Kurzschluss, dann schmilzt die Mikrofaser, wodurch sich das Flammschutzmittel – die Forscher haben TPP (Triphenylphosphat) verwendet – mit dem Elektrolyten vermischt und dessen Entflammbarkeit stark herabsetzt. Die Zelle ist nach solch einem Vorfall zwar nicht mehr zu gebrauchen, aber halt auch nicht hochgegangen.
Die Einbettung des Flammschutzmittels in die Separatorfasern bietet einen entscheidenden Vorteil. Man kann TPP nämlich nicht per se in der benötigten Menge in den Elektrolyten kippen, da das Flammschutzmittel dessen Ionenleitfähigkeit und damit die Performance der Zelle stark reduziert. Die Forscher geben zwar an, dass sich die Fasern im Laufe der Zeit mit Elektrolyt vollsaugen und dadurch etwas TPP in die Zelle diffundiert. Die Konzentration sei aber deutlich geringer als das, was für einen effektiven Brandschutz nötig sei; ergo fällt die Leistungsfähigkeit der Zelle auch nicht allzu stark ab.
Schmelzseparator
(Bild: Science Advances / Universität Stanford)
Generell sind Separatormaterialien wie das, das auch die Forscher für die Faserhülle verwenden, darauf ausgelegt, bei Temperaturen ab 120 °C zu schmelzen und dadurch den Ionenfluß innerhalb der Zelle lahmzulegen. Das ist ein etabliertes Mittel, um ein Hochgehen der Zelle durch zu starke Erwärmung bei einem externen Kurzschluss zu verhindern. Auch hierbei ist die Zelle dann irreparabel beschädigt und nicht mehr zu gebrauchen.
Ob und wie schnell der neuartige Separator in der Massenproduktion von Lithium-Ionen-Zellen auftaucht, ist nicht bekannt. Dies hängt an mehreren Faktoren, wobei die Tatsache, dass die Herstellung der Fasern mit eingebettetem TPP aufwändiger als die Fertigung herkömmlicher Separatoren ist, noch nicht einmal der Wichtigste ist.
Um ausreichend TPP für den Fehlerfall in der Zelle vorzuhalten, sehen die Forscher eine Separatordicke von rund 40 µm vor. Das ist mehr als das Doppelte dessen, was herkömmliche Separatoren messen, und reduziert dadurch die Menge der speicherbaren Energie bei vorgegebenem Zellvolumen. Für Lithium-Ionen-Zellen für Smartphones oder Notebooks, wo es auf höchste Energiedichte im begrenzten Bauraum ankommt, ist der neuartige Separator also kaum geeignet. (mue)
