Beschichteter Film aus Polyethylen schützt Lithium-Ionen-Batterien vor Überhitzung

Dieser dünnen Film aus Polyethylen ist mit Graphen-bedampften Nickel-Nanopartikeln beschichtet. (Quelle: Zheng Chen, Stanford University)

Wissenschaftlicher der Standford Universität haben die erste Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die sich selbst vor Überhitzung schützt. Sie stellt den Stromfluss ein, sollte die Temperatur ein brandgefährliches Maß übersteigt und geht nach dem Abkühlen wieder in den normalen Betrieb über. Zentrales Steuerelement bildet eine mit Graphen und Nickel beschichte Polyethylen-Folie.

Lithium-Ionen-Batterien (Akkumulatoren) zählen zu dem leistungsfähigsten mobilen Speichereinheiten für elektrischen Strom, reagieren allerdings extrem auf Temperaturschwankungen, die ein Überladen oder ein Kurzschluss verursachen kann. Um eine Selbstentzünden aufgrund von Überhitzung zu verhindern, wird die Elektrolytlösung, in der sich die Ladungsträger, positiv geladenen Lithium-Ionen (Kationen) frei zwischen den stationären Elektroden (Polen) bewegen können, etwa mit Flammschutzmittel versetzt. Nachteil der bisherigen Techniken: Sobald die Batterie/der Akku überhitzt, ist er meist nicht mehr zu gebrauchen.

Wissenschaftler der Standford University in den USA haben sich eine attraktive Alternative überlegt und einen Sensor entwickelt, der einen Akku, eine Batterie vor Überhitzung schützt. Hierzu setzen die Wissenschaftler Zhenan Bao Yi Cui und Zheng Chen vor allem auf die Nanotechnologie und den Einsatz eines Polymermaterials, namentlich Polyethylen. Ziel sei es gewesen, einen übermäßigen Ladungstransport und damit einen unkontrollierten Temperaturanstieg zu verhindern.

Röntgenaufnahme der mit Graphen bedampften Nickelpartikel an der Oberfläche des Polymerfilms. Ein Fluss der Ladungsträger ist nur dann möglich, wenn die Partikel einander berühren. (Quelle: Zheng Chen)

Vereinfacht gingen die Wissenschaftler bei ihren Experimenten wie folgt vor: Sie bedampften als ladungsführendes Medium eckige beziehungsweise stachelartige Nickelpartikel mit einer Atomlage Graphen und beschichteten damit eine Folie Polyethylen (PE). Bei Betriebstemperatur der Batterie berühren die Nickelpartikel einander und gewährleisten auf diese Weise den uneingeschränkten Ladungstransport.

Steigt die Temperatur infolge einer größeren Teilchenbewegung, dehnt sich das Polyethylen aus und vergrößert seine Oberfläche. In der Folge löst sich der Kontakt der ladungsführenden Nickelpartikel: Der Fluss kommt zum Erliegen und die Temperatur sinkt. Kühlt sich die Temperatur ab, zieht sich die PE-Folie zusammen und die Nickelpartikel berühren einander: Die Ladungsträger können wieder ungehindert fließen.

Gegenüber früheren Ansätzen biete ihr Design eine zuverlässige und reversible Lösung, um die Leistung und die Sicherheit von Akkumulatoren zu erhöhen. Ihre Strategie, sind die Forscher überzeugt, berge ein großes Versprechen für die praktische Batterie-Anwendung. GD