Kevlar bewahrt Lithium-Ionen-Akkus vor Bränden

Eine neue Generation von Batterien soll jene Art von Bränden verhindern, wie sie im Jahr 2013 wiederholt in Akkus von Boeing-787-Flugzeugen aufgetreten waren. [...]

Die Innovation besteht im Einbau einer verbesserten Barriere zwischen den Elektroden des Lithium-Ionen-Elements: Aus Kevlar – das auch in kugelsicheren Westen zum Einsatz kommt – werden Nanofasern gewonnen und als Barrierematerial verwendet. Es verhindert das Wachsen von Metallranken, die sonst ungewollt als elektrische Leiter fungieren könnten. Ein weiterer Vorteil: Es ist besonders dünn.

Martin Wilkening, Leiter des Christian-Doppler-Labors für Lithium-Batterien der Technischen Universität Graz, untersucht derzeit in einer Forschungsgruppe die Mobilität von Lithium-Ionen in Festkörpern und betont: „Die Entwicklung und Charakterisierung von neuen hochleitfähigen Festelektrolyten, die gleichzeitig als Separator zwischen den beiden Elektrodenräumen einer Lithium-Ionen-Batterie fungieren, ist weltweit von sehr hohem Interesse.“

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch die Bewegung von Lithium-Ionen von einer Elektrodenkammer zur anderen. Hier bildet sich ein Kreislauf. Wenn das Material der Membran zu große Poren aufweist, können sich Ionen zu Gebilden in Form eines Farns zusammenzuschließen und mit der Spitze durch die Membran stoßen. Dadurch kommt es zu einem Kurzschluss der Elektroden: Auf diese Weise sind höchstwahrscheinlich auch die Brände in den Akkus der Flugzeuge mit entstanden.

Eine Membran mit kleinen Poren könnte diese sogenannte Dendritenbildung unterdrücken. Die mittlere Porengröße des nun entwickelten Komposites liegt im Nanometerbereich; sie ist klein genug, um ein Durchdringen der Farn-Strukturen zu verhindern. Zusätzlich weist Kevlar eine höhere Hitzebeständigkeit auf, was die Membran insgesamt feuerbeständiger macht.

Das Forscherteam der University of Michigan zeigt sich zufrieden mit der Fähigkeit der Membran, ein Durchdringen der Lithium-Verästelungen zu verhindern. 30 Unternehmen hätten bereits Proben des Materials angefordert.

„Der Ansatz klingt vielversprechend. Die Ionen-Leitfähigkeit der dünnen Membran, die in Kontakt mit einem gewöhnlichen Flüssigelektrolyten steht, und ihre weiteren Eigenschaften gilt es aber weiter zu optimieren, um mit der Leistungsfähigkeit von Batterien, die mit üblichen Vlies-Separatoren ausgestattet sind, konkurrieren zu können“, so Wilkenings abschließendes Fazit. (pte)