Dienstag, 07. Dezember 2021

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Schutz vor dem HitzeschockÜberhitzungsschutz für Lithium-Akkus

Ein innerer Kurzschluss lässt einen verhältnismäßig starken Ladestrom durch die Zelle fließen, sodass sie sich schnell aufheizt. Der Prozess verstärkt sich selbst, bis schließlich der Akku in Flammen aufgeht. Forscher aus Kalifornien stellen heute im neuen Fachmagazin "Nature Energy" ein Material vor, das solche Unglücksfälle verhindern soll.

Von Arndt Reuning | 11.01.2016

Ob als Batterie für Elektrofahrzeuge oder als stationärer Speicher zur Stabilisierung des Stromnetzes: Lithium-Akkus dürften in Zukunft eine zentrale Rolle für die Energieversorgung spielen. So sieht es Zheng Chen, Chemieingenieur an der kalifornischen Stanford University. Entscheidend für den Erfolg der Hochleistungsbatterien sei aber vor allem die Sicherheit der Speichersysteme. Wird ein Akkumulator überladen, können sich unter Umständen die Substanzen in seinem Inneren zersetzen. Durch diese chemische Reaktion heizt er sich weiter auf und wird noch stärker in Mitleidenschaft gezogen – eine thermische Kettenreaktion, die sich verselbstständigt. Daher sei es wichtig, beim Laden der Lithium-Zellen deren Temperatur stets im Auge zu behalten.
"Will man den Akku zum Beispiel unter einer hohen Stromstärke aufladen, dann kann das sehr leicht dazu führen, dass die Zelle überhitzt. Wir müssen also immer dafür sorgen, dass es zu solch einer gefährlichen Situation gar nicht erst kommt. Denn sonst kann die Temperatur im Inneren des Akkus innerhalb von Sekundenbruchteilen auf rund fünfhundert Grad ansteigen. Wir brauchen also eine Möglichkeit, solchen Gefahren frühzeitig zu begegnen."
Äußere Schutzschalter reagieren zu langsam auf einen rapiden Temperaturanstieg, argumentiert der Forscher. Daher hat er eine Sicherung entwickelt, die sich im Inneren der Akkus befindet: Eine dünne Schicht aus Kunststoff auf dem Metallgitter, das die Ladungen am Pluspol einsammelt. Dieses Material auf Basis von Polyethylen ändert seine Leitfähigkeit mit der Temperatur.
"Wenn die Temperatur des Materials ansteigt, dann sinkt die Leitfähigkeit auf einen sehr tiefen Wert. Ab einem bestimmten Punkt fließt dann fast kein Storm mehr durch die Schicht hindurch. Überhitzt die Batterie, dann kommt der Stromfluss im Inneren des Akkus also zum Erliegen – und damit der gesamte Ladevorgang."
Leitfähig wird der Kunststoff durch kleine, metallische Partikel. Es sind so viele, dass sie miteinander in Kontakt stehen und damit ein Netzwerk aus winzigen Metallfäden bilden, über die der Strom fließen kann. Steigt die Temperatur in der Zelle an, dehnt sich der Kunststoff aus – und die Metallfäden werden auseinandergerissen. Der Vorgang ist übrigens umkehrbar: Kühlt die Batterie wieder ab, finden die Metall-Partikel wieder zusammen, und der Ladestrom kann erneut fließen. Ganz neu ist dieses Prinzip eines internen Überhitzungsschutzes nicht, aber bisher hatte man üblicherweise Rußpartikel in Kunststoffe eingemischt, um sie leitfähig zu machen. Das bringt jedoch gewisse Nachteile mit sich.
"Die Oberfläche dieser Rußteilchen ist sehr glatt, sehr gleichmäßig. So baut sich zwischen ihnen auch ein gleichmäßiges elektrisches Feld auf. Unsere Metallpartikel jedoch besitzen auf ihrer Oberfläche kleine Stacheln. Wenn sie einander näher kommen, dann konzentriert sich sozusagen das elektrische Feld an diesen Kontaktstellen. Und das führt dazu, dass die Leitfähigkeit des gesamten Films um bis zum Tausendfachen zunehmen kann."
Bei Raumtemperatur besitzt die interne Sicherung, die Zheng Chen entwickelt hat, daher eine vergleichsweise hohe Leitfähigkeit. Und sie reagiert äußerst empfindlich auf Temperaturänderungen. Eine kleine thermische Ausdehnung genügt bereits, um die Felder soweit zusammen brechen zu lassen, dass das Material umschaltet und sich zum Isolator wandelt. Bisher haben die Forscher der Stanford University damit nur kleine Lithium-Akkus zusammengebaut. Aber als Nächstes werden sie versuchen, auch größere Zellen zu verwirklichen, wie zum Beispiel für Elektrofahrzeuge.