Neuer hitzebeständiger Feststoffelektrolyt

Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 19.03.2020

Forscher der kalifornischen Standford University haben einen Feststoffelektrolyten entwickelt, der im Gegensatz zu heute gängigen flüssigen Elektrolyten der Lithium-Ionen-Batterie schwer entflammbar ist.

Ein großer Nachteil heutiger Lithium-Ionen-Batterien ist es, dass diese auf verschiedenen Stoffen basieren, die z.B. im Überladungsfall zu Brandgefahr führen. Die Bestandteile der Lithium-Ionen-Batterie tragen hier ab einem gewissen thermischen Lastfall dazu bei, dass die Batterie in den sogenannten Thermal-Runaway übergeht und in diesem Zustand in einer oftmals stark exothermen Reaktion verbrennt.

Die Forscher der Standford University haben nun den in der Batterie benötigten Elektrolyten so angepasst, dass dieser nicht mehr hitzeempfindlich ist, indem Sie ein flammenhemmendes Material namens Decabromdiphenylethan, kurz DBDPE, verwendet haben. Die Wissenschaftler ersetzen hierbei den flüssigen Elektrolyten, der aufgrund von benötigten organischen Lösungsmitteln ein Teil der vorhandenen Brandgefahr der Lithium-Ionen-Batterie darstellt, mit einem auch für die Feststoffbatterieforschung neuen Materialansatz.

Denn betrachtet man die Feststoffbatterie so wurden hier bislang in der Regel polymere Festelektrolyte und Polymer/Keramik-Verbundwerkstoffe als Elektrolyt gewählt, die durch ihre vorhandene Brennbarkeit die Brandgefahr der Gesamtbatterie nicht reduzierten. Der neue Elektrolyt, der in der Veröffentlichung erstmals für den Einsatz in der Feststoffbatterie eingesetzt wurde, ist ein ultraleichter Polymer-Polymer Stoff, der aus einem porösen mechanischen Verstärkungselement (Polyimid, PI), dem feuerhemmenden Additiv (Decabromdiphenylethan, DBDPE) und einem ionisch leitenden Polymerelektrolyten besteht. Eine aus diesen Stoffen gebildete Elektrolytschicht konnten die Forscher in einer Dicke von 10 – 25 µm herstellen und im weiteren erste protypische Pouch-Zellen anfertigten. In den Zellen, die mit dem neuen Festoffelektrolyten und ebenfalls thermisch sehr sicheren LiFePO4/Li-Halbzellen aufgebaut wurden, zeigte sich eine Speicherkapazität von 131 mAh/g bei C1 und eine Ladezyklenbeständigkeit von 300 Zyklen. Besonders bemerkenswert empfanden die Forscher die Tatsache, dass die Batteriezellen während eines Feuertest nicht nur den Flammen gegenüber standhielten, sondern zudem auch weiter funktionsfähig blieben.

Der gewählte Ansatz bietet in Rahmen der allgemein aktuell sehr fokussierten Forschungen in Richtung der Feststoffbatterien einen guten Ansatz, neben einer höheren Leistungsfähigkeit der Batterien, auch die Sicherheit der Batteriezellen zu verbessern.

Quellen:

https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/batteries-storage/lithium-ion-battery-research-news-stanford-fireproof-electrolyte

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32020809