Kein Feuer, keine Explosion: Forschungsteam entwickelt selbstschützenden Akku

Akkus, die in Brand geraten, gehören zu den gefährlichsten Szenarien moderner Energietechnik. Forscher:innen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben nun einen Natriumionen-Akku entwickelt, der sich bei drohender Überhitzung von innen heraus selbst schützt. Und das ohne externe Sensorik, ohne Kühlpumpen, allein durch seine eigene Chemie.

Ein Phänomen, das sich selbst beschleunigt

Das Kernproblem herkömmlicher Lithiumionen-Batterien ist der sogenannte thermische Durchbruch. Steigt die Temperatur im Inneren einer Zelle über einen kritischen Schwellenwert, beginnen chemische Reaktionen, die ihrerseits Wärme freisetzen — was wiederum weitere Reaktionen auslöst. Dieser selbstverstärkende Kreislauf kann innerhalb von Sekunden bis Minuten zu Temperaturen zwischen 700 und 1.000 Grad Celsius führen, verbunden mit dem Austritt toxischer Gase, Bränden oder Explosionen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Zelle bei diesem Prozess selbst Sauerstoff produziert, was herkömmliche Löschmittel weitgehend wirkungslos macht.

Der Elektrolyt als schaltbare Brandmauer

Das Team um Hu Yongsheng vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat ein neuartiges Material entwickelt, das diesen Kreislauf unterbricht, bevor er richtig beginnt. Im Zentrum steht ein sogenannter polymerisierbarer nicht-brennbarer Elektrolyt. Dieser liegt im Normalbetrieb als Flüssigkeit vor, durchläuft aber bei Überschreiten von 150 Grad Celsius eine rasche Phasenumwandlung: Er erstarrt zu einer dichten physikalischen Barriere, die die Wärmeausbreitung im Zellinneren blockiert. Statt einer einzigen Verteidigungslinie, erläutert das Forschungsteam, fungiere das Material als mehrschichtiges Schutzsystem, das Wärmeausbreitung effektiv unterbindet und katastrophale Brände verhindert.

Das Ergebnis wurde in Nature Energy veröffentlicht und in Tests überzeugend bestätigt. Die Zelle hielt externer Erhitzung auf bis zu 300 Grad Celsius stand, ohne in den thermischen Durchbruch zu geraten. Auch ein simulierter interner Kurzschluss durch Nageldurchdringung überstand die Zelle ohne strukturellen Schaden. Dabei blieb die Energiedichte mit 211 Wh/kg konkurrenzfähig, und der Betrieb war in einem Temperaturbereich von minus 40 bis plus 60 Grad Celsius stabil. Der Wahl von Natrium statt Lithium als Trägermaterial kommt dabei ebenfalls eine Rolle zu: Natriumionen-Systeme reagieren chemisch weniger aggressiv, was die Grundlage für solche passiven Sicherheitsmechanismen erst schafft.

Weniger Schutzaufwand, breitere Einsatzfelder

Die Bedeutung dieser Entwicklung liegt nicht allein in der erhöhten Sicherheit, sondern auch in ihren konstruktiven Konsequenzen. Batterien, die inhärent nicht brennen, benötigen weniger aufwändige externe Schutzsysteme wie schwere feuerfeste Gehäuse, aufwändige Kühlkreisläufe oder mehrfach redundante Überwachungselektronik. Das reduziert Gewicht und Kosten erheblich, was besonders für Elektrofahrzeuge, schwere Nutzfahrzeuge und stationäre Netzspeicher relevant ist. Da der Schutzmechanismus rein passiv funktioniert, ist er zudem unabhängig von Software, Strom oder mechanischen Komponenten und damit robust gegenüber genau den Ausfallszenarien, in denen Sicherheit am meisten zählt.

via Chinese Academy of Sciences