Risse im Akku: Rutgers-Technologie soll Elektroden-Ablösung in Lithium-Ionen-Zellen stoppen

Lithium-Ionen-Akkus altern, weil ihre Elektroden bei jedem Lade- und Entladezyklus minimal anschwellen und schrumpfen. Mit der Zeit reißen sie, lösen sich vom Ableiter ab und der Innenwiderstand steigt. Das Ergebnis: die Zelle heizt sich stärker auf, verliert Kapazität und wird im schlimmsten Fall zum Sicherheitsrisiko. Eine von der Rutgers University entwickelte Technologie soll genau diesen Prozess verlangsamen. Das US-Unternehmen Soteria Battery Innovation Group hat die Lizenz dafür übernommen und stellt sie der Batterieindustrie zur Verfügung.

Haarfeine Metallfolien als Schwachstelle

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen bestehen die Stromableiter aus dünnen Aluminium- oder Kupferfolien, ungefähr so dünn wie ein menschliches Haar. Sie leiten den Strom von den Elektroden nach außen, sind dabei aber starr. Wenn die Aktivmaterialien der Elektroden durch Ladevorgänge zyklisch expandieren und kontrahieren, entstehen Risse an der Grenzfläche. Der elektrische Kontakt zwischen Elektrode und Ableiter verschlechtert sich, der Widerstand wächst, und überschüssige Wärme entsteht. Genau dieser Prozess beschleunigt die Alterung und erhöht das Risiko, dass eine Zelle ausfällt oder thermisch durchgeht.

Forscher:innen um Glenn Amatucci an der Rutgers University haben dieses Problem von einer anderen Seite angegangen: Sie ersetzten die Metallfolie durch eine poröse Polymerstruktur, die mit einer hauchdünnen Metallschicht bedampft ist, rund zwanzigmal dünner als ein menschliches Haar. Das dreidimensionale Gitterwerk, das die Forscher:innen als retikulierten Stromableiter bezeichnen, ist flexibel genug, um die Ausdehnung der Elektroden mitzumachen, ohne den elektrischen Kontakt zu verlieren.

Flexibel, leichter und mit eingebautem Sicherheitsmechanismus

Der neue Ableiter bringt mehrere Vorteile mit sich. Die Porosität ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung des Elektrolyten in der Zelle, was die Leistungsverteilung homogenisiert und die Aktivierungszeit bei der Zellherstellung verkürzt. Durch das geringere Gewicht des Polymers schrumpft auch die Gesamtmasse der Batterie. Dazu kommt ein Sicherheitseffekt, den Soteria auch bei seinen eigenen metallisierten Polymerableitern nutzt: Erreicht die Zelle eine kritische Temperatur, schmilzt das Polymer, zieht sich zurück und unterbricht automatisch den Stromkreis, bevor eine thermische Entladekaskade in Gang kommen kann. Das macht die Technologie besonders interessant für sicherheitskritische Anwendungen wie die Luftfahrt, für die Amatucci das Konzept ursprünglich entwickelt hat.

Offene Plattform für Sicherheitspatente

Soteria hat die Technologie in seine Battery Safety IP Exchange (IPX) aufgenommen, eine Plattform, über die Hersteller:innen Sicherheitspatente im Batteriebereich lizenzieren können. CEO Brian Morin betonte, dass Stromableiter trotz ihres erheblichen Einflusses auf Sicherheit und Leistung im Batterie-Design oft unterschätzt werden. Er sieht in der Rutgers-Technologie einen komplementären Ansatz zu Soterias eigenen Entwicklungen, weil sie das Alterungsproblem aus einer anderen Richtung angeht.

Das Konzept entstand bereits vor rund einem Jahrzehnt und hat seitdem vor allem im Kontext der Avionik Aufmerksamkeit gewonnen. Dass es jetzt über die IPX breit verfügbar wird, könnte ihm den Weg in Konsumgeräte, Elektrofahrzeuge und stationäre Speichersysteme ebnen. Gerade dort erhöht die Nachfrage nach Zellen mit höherer Energiedichte den mechanischen Druck auf die Elektroden und damit die Dringlichkeit des Problems, das Amatucci und sein Team adressiert haben.

via Soteria Battery Innovation Group

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