Selbstheilender Akku

Selbsheilende Lithiumionenbatterie. Abb. Wiley-VCH

Elektronik, die in Kleidung eingearbeitet werden kann, liegt im Trend. Allerdings hakt es noch etwas bei der Stromversorgung. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Wissenschaftler jetzt dünne flexible Lithiumionen-Akkus mit Selbstheilungseigenschaften vor, die sicher am Körper getragen werden könnten. Sogar nach einem vollständigen Bruch wachsen sie wieder zusammen, ohne wesentliche Einbuße bei ihren elektrochemischen Eigenschaften.

Bisherige flexible Lithiumionen-Akkus für anziehbare Elektronik lassen sich zwar ohne Weiteres biegen und rollen, können aber brechen, wenn sie einer starken Verwindung ausgesetzt sind oder versehentlich einen Schnitt abbekommen – Unfälle, die beim Tragen am Körper durchaus vorkommen können. Dabei versagen sie nicht nur, sondern es können auch ernsthafte Sicherheitsprobleme auftreten: Brennbare, giftige oder ätzende Gase oder Flüssigkeiten können austreten.

Das Team um Yonggang Wang und Huisheng Peng hat jetzt eine neue Familie Lithiumionen-Akkus entwickelt, die derartige Unfälle dank ihrer erstaunlichen Selbstheilungskräfte meistern kann. Damit einem komplizierten Bauteil wie einem Akku Selbstheilungskräfte eingehaucht werden können, müssen alle einzelnen Bestandteile selbstheilend sein. Die Wissenschaftler von der Fudan University (Shanghai, China), dem Samsung Advanced Institute of Technology (Südkorea) sowie dem Samsung R&D Institute China konnten dies jetzt auf folgende Weise realisieren:

Die Elektroden der Akkus bestehen aus Lagen parallel ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhrchen, zwischen die die benötigten Lithiumverbindungen in Form von Nanopartikeln (LiMn2O4 für die eine, LiTi2(PO4)3 für die andere Elektrode) eingebettet wurden. Anders als bei herkömmlichen Lithiumionen-Akkus können die Lithiumverbindungen hier nicht aus den Elektroden austreten, weder im Betrieb, noch bei einem Bruch. Die dünnen Schicht-Elektroden sind jeweils auf einem Substrat aus einem selbstheilenden Polymer fixiert. Zwischen den Elektroden befindet sich ein neuartiger lösemittelfreier Elektrolyt aus einem Cellulose-basierten Gel, in das eine wässrige Lithiumsulfat-Lösung eingebettet ist. Dieser Gelelektrolyt dient gleichzeitig als Trennschicht zwischen den Elektroden.

Nach einem Bruch reicht es, die Bruchstellen einige Sekunden lang zusammenzudrücken, damit diese wieder zusammenwachsen. Nicht nur das selbstheilende Polymer, auch die Kohlenstoffnanoröhrchen „kleben“ dann wieder perfekt aneinander – dank ihrer parallelen Ausrichtung wesentlich besser als bei Schichten ungeordneten Kohlenstoffnanoröhrchen. Auch der Elektrolyt stellt kein Problem dar. Während sich herkömmliche Elektrolyte bei Luftkontakt sofort zersetzen, ist das neue Gel an Luft stabil. Frei von organischen Lösemitteln ist es weder brennbar noch toxisch, sondern sicher in der Anwendung.

Die Kapazität und die Ladungs-/Entladungseigenschaften eines um den Ellbogen einer Puppe befestigten Akku-„Armbands“ blieben auch nach wiederholten Bruch/Selbstheilungszyklen weitestgehend erhalten.