Flammfestes Lithium

Ein Elektrolyt auf Polymerbasis sorgt dafür, dass Batterien auch dann weiter funktionieren, wenn sie auf über 140 Grad Fahrenheit erhitzt werden, und kein Feuer fangen.

Von Chris Patrick

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien versorgen Telefone, Laptops, andere persönliche Elektronikgeräte und Elektroautos mit Strom und werden sogar zur Speicherung der von Solarpaneelen erzeugten Energie verwendet. Wenn die Temperatur dieser Batterien jedoch zu stark ansteigt, funktionieren sie nicht mehr und können Feuer fangen.

Das liegt zum Teil daran, dass der darin enthaltene Elektrolyt, der beim Laden und Entladen der Batterie Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden transportiert, brennbar ist.

„Eine der größten Herausforderungen in der Batterieindustrie ist dieses Sicherheitsproblem, daher werden große Anstrengungen unternommen, um einen sicheren Batterieelektrolyten herzustellen“, sagte Rachel Z Huang, Doktorandin an der Stanford University und Erstautorin eines Buches Bericht veröffentlicht am 30. November in Matter.

Huang entwickelte zusammen mit 19 anderen Forschern am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und an der Stanford University einen nicht brennbaren Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien. Ihre Arbeit zeigte, dass Batterien, die diesen Elektrolyten enthalten, auch bei hohen Temperaturen weiter funktionieren, ohne dass ein Feuer entsteht.

Ihr Geheimnis? Mehr Salz.

Herkömmliche Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einem Lithiumsalz, das in einem flüssigen organischen Lösungsmittel wie Ether oder Carbonat gelöst ist. Während dieses Lösungsmittel die Batterieleistung verbessert, indem es dabei hilft, Lithium-Ionen zu bewegen, ist es auch ein potenzieller Brandstifter.

Batterien erzeugen im Betrieb Wärme. Und wenn eine Batterie Löcher oder Defekte aufweist, erhitzt sie sich schnell. Bei Temperaturen über 60 Grad Celsius beginnen die kleinen Lösungsmittelmoleküle im Elektrolyten zu verdampfen, verwandeln sich von Flüssigkeit in Gas und blähen eine Batterie wie einen Ballon auf – bis das Gas Feuer fängt und das Ganze in Flammen aufgeht.

In den letzten 30 Jahren haben Forscher nicht brennbare Elektrolyte entwickelt, beispielsweise Polymerelektrolyte, die anstelle der klassischen Salz-Lösungsmittel-Lösung eine Polymermatrix verwenden, um Ionen zu bewegen. Allerdings bewegen diese sichereren Alternativen Ionen nicht so effizient wie flüssige Lösungsmittel, sodass ihre Leistung nicht mit der herkömmlicher Elektrolyte mithalten kann.

Das Team wollte einen polymerbasierten Elektrolyten herstellen, der sowohl Sicherheit als auch Leistung bietet. Und Huang hatte eine Idee.

Sie beschloss, so viel wie möglich von einem Lithiumsalz namens LiFSI zu einem polymerbasierten Elektrolyten hinzuzufügen, der von Jian-Cheng Lai, einem Postdoktoranden an der Stanford University und Co-Erstautor der Arbeit, entwickelt und synthetisiert wurde.

„Ich wollte nur sehen, wie viel ich hinzufügen und das Limit testen kann“, sagte Huang. Normalerweise besteht ein Elektrolyt auf Polymerbasis zu weniger als 50 % aus Salz. Huang steigerte diese Zahl auf 63 % und schuf damit einen der salzigsten Polymerelektrolyte aller Zeiten.

Im Gegensatz zu anderen Elektrolyten auf Polymerbasis enthielt dieser auch brennbare Lösungsmittelmoleküle. Allerdings erwies sich der Gesamtelektrolyt, bekannt als Solvent-Anchored Non-Flamable Electrolyte (SAFE), bei Tests in einer Lithium-Ionen-Batterie bei hohen Temperaturen als nicht brennbar.

SAFE funktioniert, weil die Lösungsmittel und das Salz zusammenarbeiten. Die Lösungsmittelmoleküle helfen dabei, Ionen zu leiten, was zu einer Leistung führt, die mit der von Batterien mit herkömmlichen Elektrolyten vergleichbar ist. Aber anstatt wie die meisten Lithium-Ionen-Batterien bei hohen Temperaturen zu versagen, funktionieren Batterien mit SAFE auch bei Temperaturen zwischen 77 und 212 Grad Fahrenheit weiter.

Gleichzeitig dienen die reichlich zugesetzten Salze als Anker für die Lösungsmittelmoleküle und verhindern so, dass diese verdampfen und Feuer fangen.

„Diese neue Erkenntnis weist auf eine neue Denkweise für das Polymer-basierte Elektrolytdesign hin“, sagte Zhenan Bao, Professor an der Stanford University und Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), der Huang berät. „Dieser Elektrolyt ist wichtig für die Entwicklung zukünftiger Batterien, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch Sicherheit bieten.“

Elektrolyte auf Polymerbasis können fest oder flüssig sein. Wichtig ist, dass die Lösungsmittel und Salze in SAFE die Polymermatrix plastifizieren und sie wie herkömmliche Elektrolyte zu einer klebrigen Flüssigkeit machen.

Ein Vorteil: Ein klebriger Elektrolyt kann im Gegensatz zu anderen nicht brennbaren Elektrolyten, die auf den Markt gekommen sind, in vorhandene, im Handel erhältliche Lithium-Ionen-Batterieteile passen. Festkörper-Keramikelektrolyte beispielsweise müssen speziell entwickelte Elektroden verwenden, was ihre Herstellung kostspielig macht.

„Mit SAFE besteht keine Notwendigkeit, die Fertigungseinrichtung zu ändern“, sagte Huang. „Wenn es jemals für die Produktion verwendet wird, sind natürlich Optimierungen erforderlich, damit der Elektrolyt in die Produktionslinie passt, aber der Aufwand ist viel geringer als bei allen anderen Systemen.“

Yi Cui, Professor am SLAC und Stanford und SIMES-Forscher, der Huang auch berät, sagte: „Dieser sehr aufregende neue Batterieelektrolyt ist mit der bestehenden Lithium-Ionen-Batteriezellentechnologie kompatibel und würde große Auswirkungen auf die Unterhaltungselektronik und den Elektrotransport haben.“ "

Eine Anwendung von SAFE könnte in Elektroautos liegen.

Sitzen die mehreren Lithium-Ionen-Batterien in einem Elektroauto zu dicht beieinander, können sie sich gegenseitig erhitzen, was schließlich zu Überhitzung und Bränden führen kann. Wenn ein Elektroauto jedoch Batterien enthält, die mit einem Elektrolyten wie SAFE gefüllt sind, der bei hohen Temperaturen stabil ist, können die Batterien dicht zusammengepackt werden, ohne dass eine Überhitzung befürchtet werden muss.

Dies verringert nicht nur das Brandrisiko, sondern bedeutet auch weniger Platzbedarf für Kühlsysteme und mehr Platz für Batterien. Mehr Batterien erhöhen die Gesamtenergiedichte, was bedeutet, dass das Auto zwischen den Ladevorgängen länger durchhalten kann.

„Es ist also nicht nur ein Sicherheitsvorteil“, sagte Huang. „Dieser Elektrolyt könnte es auch ermöglichen, viel mehr Batterien einzubauen.“

Die Zeit wird zeigen, welche anderen batteriebetriebenen Produkte etwas SICHERER werden könnten.

Diese Forschung wurde vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des DOE im Rahmen des Battery Materials Research Program und des Battery 500 Consortium finanziert.

Zitat: Huang et al., Matter, 30. November 2022 (10.1016/j.matt.2022.11.003)

Bei Fragen oder Kommentaren wenden Sie sich bitte an das SLAC Office of Communications unter [email protected].

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