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Sonntag, 19.11.2017
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Neuer Brandschutz für Akkus

Raffiniertes Bauteil setzt bei Überhitzung Flammschutzmittel im Batterie-Inneren frei

Eingebauter Flammschutz: US-Forscher haben ein Bauteil entwickelt, das künftig Akkubrände verhindern soll: Die aus zwei Materialien kombinierte Trennschicht setzt automatisch ein Flammschutzmittel frei, wenn sich der Akku überhitzt. Im Normalbetrieb verringert das System die Batterieleistung jedoch nicht – im Gegensatz zu bisherigen Schutzmechanismen, wie die Forscher im Fachmagazin "Science Advances" berichten.
Lithiumionen-Batterien sind zwar leistungsfähig, aber ihr Elektrolyt ist brennbar und kann explodieren.

Lithiumionen-Batterien sind zwar leistungsfähig, aber ihr Elektrolyt ist brennbar und kann explodieren.

Lithiumionen-Batterien sind die "Arbeitspferde" unserer mobilen Elektronik, sie stecken in Smartphones, Tablets und Kameras, aber auch in Elektroautos. Doch die leistungsstarken Akkus sind nicht ohne Risiko, wie die Galaxy Note 7 Smartphones demonstrierten: Überhitzen die Akkus, dann können sie brennen und sogar explodieren. Der Grund dafür sind die brennbaren Elektrolyte, über die der Elektronenaustausch zwischen Kathode und Anode abläuft.

In den letzten Jahren haben Batteriehersteller versucht, diese Gefahr durch interne Frühwarnsyteme, automatische Abschalter oder die Zugabe von Flammschutzmitteln zum Elektrolyt einzudämmen. "Doch das Risiko von Batteriefeuern existiert noch immer", betonen Kai Liu und seine Kollegen von der Stanford University. "Darüber hinaus sinkt durch diese Maßnahmen meist die Energiedichte und Ionenleitfähigkeit, was die Leistung der Batterien mindert."

Verbund aus Polymer und Flammschutzmittel


Abhilfe könnte nun das von den Forschern neuentwickelte Batteriebauteil bieten. Es ersetzt den herkömmlichen Separator, eine Trennschicht aus mikroporösen Membranen, die die Elektroden voneinander trennt, aber dennoch den Ionenaustausch ermöglicht. Der Separator von Liu und seinen Kollegen ist ebenfalls mikroporös, reagiert aber im Falle einer Überhitzung sofort: Er schüttet dann Flammschutzmittel aus.


Im NOrmalbetrieb ist das Flammschutzmittel in den Separatorfasern eingeschlossen und stört so nicht die Akkuleistung. Bei Überhoitzuung aber schmilzt die Hülle und das Flammschutzmittel macht den Elektrolyt unbrennbar.

Im NOrmalbetrieb ist das Flammschutzmittel in den Separatorfasern eingeschlossen und stört so nicht die Akkuleistung. Bei Überhoitzuung aber schmilzt die Hülle und das Flammschutzmittel macht den Elektrolyt unbrennbar.

Der Clou am neuen Bauteil ist sein Verbundgewebe aus zweischichtigen Mikrofasern. Im Kern enthalten diese das gängige Flammschutzmittel Triphenylphosphat (TPP). Außen schirmt eine Polymerschicht mit niedrigem Schmelzpunkt das TPP vom Elektrolyt ab. Der Vorteil: Das Flammschutzmittel ist zwar im Akku präsent, beeinträchtigt aber im Normalbetrieb nicht die Leistung der Batterie.

Gelöscht in Sekundenbruchteilen


Wenn jedoch der Akku anfängt zu überhitzen, verändert sich das Bauteil schlagartig: "Wird der Schmelzpunkt des Polymers erreicht, schmelzen die Fasern und das eingekapselte TPP wird freigesetzt", berichten die Forscher. Im Versuch führte dies spätestens bei Temperaturen von 160 Grad zu einer 100-prozentigen Ausschüttung des Flammschutzmittels in den Elektrolyt.

Das freigesetzte TPP macht dann rund 30 Gewichtsprozent des Elektrolyts aus. Im Experiment zündeten die Forscher diese Mischung sogar direkt an, um ihre Flammbarkeit zu testen. Das Ergebnis: "Die Flammen verschwanden sofort und waren innerhalb von 0,4 Sekunden komplett gelöscht", so die Wissenschaftler. "Das belegt, dass der Separator die Flammbarkeit der gängigen Elektrolyte effektiv unterdrückt."

Nach Ansicht von Liu und seinen Kollegen könnte ihr neuentwickeltes Bauteil daher dazu beitragen, das Problem der explodierenden Akkus endlich zu lösen. "Mit diesem smarten und anpassungsfähigen Separator müssen wir zudem keine Kompromisse mehr eingehen zwischen der elektrochemischen Leistung der Batterie und einem Schutz vor der Entflammbarkeit des Elektrolyts", so die Forscher. (Science Advances, 2017; doi: 10.1126/sciadv.1601978)
(AAAS, 16.01.2017 - NPO)
 
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