Forscher verbessern Sicherheit von Nickel-Akkus für E-Autos

Nickel hat einige Vorteile: Im Vergleich zu Kobalt ist es in größeren Mengen vorhanden und daher leichter zu beschaffen. Wird Nickel in Batterien eingesetzt, kann es zu einer hohen Energiedichte der Akkus beitragen. Damit spielt es vor allem für den Einsatz in Elektroautos eine große Rolle, da längere Fahrstrecken möglich sind. 

Allerdings ist Nickel in Bezug auf Lebensdauer und thermische Stabilität weniger stabil, was zu Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Brandgefahr führt. Forscher der University of Texas und des Argonne National Laboratory haben nun eine Studie veröffentlicht, die zeigt, wann es kritisch wird. 

➤ Mehr lesen: TU Wien holt mit Batteriemüll CO2 aus der Luft und macht grünen Brennstoff 

Die kritische Schwelle bei Nickel-Batterien

Dafür führte das Forscherteam über 500 Messungen an 15 Kathodenmaterialien mit hohem Nickelgehalt durch. Sie stellten fest, dass die Kathoden ab einem bestimmten Ladezustand eine Sicherheitsgrenze erreichen, ab der es kritisch wird.  

„Unsere Studie liefert eine umfassende Analyse der thermischen Stabilität, die für die Entwicklung sicherer Batterien entscheidend ist”, sagt Arumugam Manthiram, einer der Leiter der Studie. 

Welche Faktoren die Sicherheit gefährden

Die Sicherheit der Kathoden wird der Studie zufolge maßgeblich von den Metall-Sauerstoff-Bindungen und der Oberflächenreaktivität des Nickels beeinflusst. Dies wirkt sich wiederum auf die thermische Stabilität aus. 

Wird eine bestimmte Grenze überschritten, treten also Instabilitäten auf. Diese können zum sogenannten thermischen Durchgehen führen. Das bedeutet: Durch die erhöhte Temperatur in der Batterie wird Energie freigesetzt, wodurch sich das Material weiter erhitzt. Dies kann zum Versagen der Batterie und im schlimmsten Fall zu einem Brand führen. 

➤ Mehr lesen: Neue Lithium-Ionen-Batterie hat die Vorteile eines Feststoffakkus 

Index liefert Klarheit 

Mit der Studie haben die Forscher nun einen thermischen Stabilitätsindex entwickelt. Dieser zeigt, ab wann es bei Nickel-Kathoden zum thermischen Durchgehen kommt. 

Durch Veränderungen der Kathodenzusammensetzung, der Oberflächenchemie, des Nickelgehalts oder der Kristallgröße des Materials kann die Sicherheit jedoch erhöht werden. Diese Erkenntnisse könnten zu sichereren und effizienteren Batterien auf Nickelbasis führen, so die Forscher. 

➤ Mehr lesen: Silizium für mehr Akkukapazität: Durchbruch bei Technologie erzielt 

Fahrplan für die Industrie 

„Unsere Arbeit liefert einen Fahrplan für die Industrie, der sicherstellt, dass die hohe Energiedichte dieser Kathoden nicht auf Kosten der Sicherheit geht", sagt Zehao Cui, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Manthirams Forschergruppe. 

In Zukunft wollen die Forscher auch die Rolle des meist flüssigen Elektrolyten genauer untersuchen. Dieser ist notwendig, damit die Ionen in der Batterie von der Anode zur Kathode wandern können. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, Nickel-Batterien weiter zu verbessern.