Material aus Holz soll explodierende Akkus verhindern
Lithium-Ionen-Akkus werden in vielen technischen Geräten eingesetzt, vom Smartphones bis zum Elektroauto. Aufgrund ihrer Bauart besteht bei ihnen die Gefahr von Überhitzung und Kurzschlüssen, die zum Thermal Runaway, dem explosionsartigen Abbrennen, führen können.
Um die Akkus sicherer zu gestalten, hat die Michigan State University (MSU) ein Material genutzt, das in Holz vorkommt. Das soll sowohl die Sicherheit als auch die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verbessern.
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Die bessere Batterie
“Wir wollten eine bessere Batterie bauen”, sagt Chengcheng Fang vom College of Engineering an der MSU. Besser heißt in diesem Fall sicherer, effizienter und nachhaltiger. Dafür nutzten sie den natürlichen Stoff Lignin. Dieser verleiht Pflanzen ihre Festigkeit und macht etwa 30 Prozent des Holzgewichts aus.
Die Forscher nutzten Lignin, um damit einen dünnen Separator zu bauen, der in die Akkus eingesetzt wird. Ein Separator trennt in der Batterie die Anode und Kathode - denn wenn sich die beiden berühren, kommt es zum Kurzschluss.
Separator auf Holzbasis in einer Lithium-Ionen-Batterie im Vergleich zu einem typischen Kunststoffseparator in einer Lithium-Ionen-Batterie
© Michigan State University/Molly Killingbeck
Um diese Elektroden voneinander zu trennen, wird meist Kunststoff als Separator eingesetzt. Das Problem bei Polyethylen- oder Polypropylen-Kunststoffen ist aber, dass sie bei Temperaturen von rund 100 Grad schrumpfen können. Ist das der Fall, kann ein Kurzschluss und schließlich ein Brand oder eine Explosion entstehen.
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Die Lignin-Separatoren
Ersetzt man den Kunststoff-Separator durch den Lignin-Separator, kann sich der Akku auf bis zu 300 Grad erhitzen, ohne dass die Trennschicht schrumpft. Durch mehrere Tests fanden die Forscher heraus, dass die optimale Breite des Separators bei 15 Mikrometern liegt. Das ist dünner als ein menschliches Haar.
Der Lignin-Separator führt aber nicht nur zu mehr Sicherheit. Die Forscher konnten damit auch die Lebensdauer der Batterie verlängern. "Wir waren überrascht, dass die Lignin-Trennschicht auch die Lebensdauer erhöht. Wir haben die Lebensdauer um 60 % erhöht”, sagt Fang. Das Forschungsteam führt dies auf die erhöhte Stabilität innerhalb der Batterie zurück.
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Darüber hinaus kann der Lignin-Separator mit einem kostengünstigen Trockenverfahren produziert werden. So können nicht nur große Mengen davon hergestellt, sondern auch der Einsatz schädlicher Lösungsmittel vermieden werden. Diese braucht es für herkömmliche Kunststoff-Separatoren und sind eine Belastung für die Umwelt. "Lignin, insbesondere Lignosulfonat, ist in der Natur reichlich vorhanden und muss nicht weiter behandelt werden, um in Batterien zu funktionieren", betont Fang.