Chinesische Forscher entwickeln Lithium-Metall-Batterie mit integriertem Flammschutz
Die Studie „A fire-safe Li metal battery via smart gas management“ ist kürzlich in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) erschienen. Wie die Forscher darin schreiben, ist die erhöhte Brandgefahr bei einigen Lithium-Metall-Batterien auf die chemische Zusammensetzung zurückzuführen: Wenn die Lithium-Metall-Anoden mit den nickelreichen Oxid-Kathoden reagieren, entstehen in diesem Prozess brennbare Gase wie Wasserstoff und Methan an der Anode, während an der Kathode auch reiner Sauerstoff freigesetzt wird. Bereits eine geringfügige Überhitzung könne dann ausreichen, dass sich die Zelle entzündet. Und die mechanische Belastung durch die Gase kann zu strukturellen Schäden an der Zelle führen, indem etwa bei einer Pouchzelle der Folienbeutel reißt.
Da Lithium-Metall-Batterine eine bis zu zehnmal höhere Energiedichte aufweisen als heutige Lithium-Ionen-Batterien mit Graphit-Anode, lohnt sich die Entwicklung von Verfahren, um dieses Problem zu beheben. Die Forscher des Institute of Chemistry haben für ihren Ansatz die Kathode angepasst: Dort wurde in der Fertigung ein spezielles, hitzeempfindliches Polymer beigemischt. Bei der Betriebstemperatur der Zelle ist das Polymer chemisch stabil und nichts passiert. Steigt die Temperatur aber auf 100 Grad Celsius oder mehr, zerfällt das Polymer und setzt dabei feuerhemmende Chemikalien frei. Sprich: Erhitzt sich die Batteriezelle in den kritischen Bereich, sorgen die freigesetzten Chemikalien dafür, dass die gefürchtete Reaktion an der Anode ausbleibt.
Um das Potenzial ihrer Entwicklung zu demonstrieren haben die Forscher einen Vergleichstest mit einer herkömmlichen Lithium-Metall-Zelle durchgeführt – jeweils zu 100 Prozent geladene Pouchzellen mit NCM811-Kathode und 0,58 Ah Energiegehalt. Bei beiden Batterien wurde die Temperatur schrittweise erhöht, beginnend mit 50 Grad Celsius. Ab 100 Grad kam es zur internen Überhitzung, bei der in der neuartigen Zelle der integrierte Brandschutz aktiviert wurde. Die Folge: Bereits ab 120 Grad begann in der konventionellen Zelle das thermische Durchgehen: Sie erhitzte sich selbstständig auf etwa 1.000 Grad und geriet nach 13 Minuten in Brand. Die neue Zelle mit dem Brandschutz wurde mit maximal 220 Grad gemessen, es kam auch zu keiner Entzündung.
Geräte, die mit einer solchen Batterie ausgestattet sind, dürften den ersten Ergebnissen zufolge also sicherer sein. Die chinesischen Forscher gehen davon aus, dass ihre Entwicklung auch zu einer deutlich größeren Verbreitung von Lithium-Metall-Batterien beitragen könnten. Denn genau wegen der Brandgefahr werden sie etwa in Elektroautos nicht eingesetzt, obwohl sie höhere Energiedichten versprechen. „Diese Arbeit bietet einen vielversprechenden Weg zu feuersicheren Lithium-Metall-Batterien für Elektrofahrzeuge und andere Energiespeicheranwendungen“, heißt es bei PNAS.
Und: Auch die Herstellung soll kein großes Problem sein. Dieser Ansatz ist hochkompatibel mit aktuellen Herstellungsprozessen und bietet eine skalierbare Lösung zur Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte“, schreiben die Forscher.
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