Neues Gel soll Lithium-Ionen-Akkus sicherer machen
Im Rahmen des Projekts „BAT4EVER“, das im Horizon-2020-Programm von der Europäischen Kommission gefördert wurde, haben sich Forschende der MLU der Frage gewidmet, wie sich Lithium-Ionen-Batterien sicherer machen lassen. „Wir haben ein Polymer entwickelt, mit dem die Batteriezelle gefüllt wird. In dieser Substanz ist das Elektrolyt gebunden, die Ionen können jedoch weiter frei zwischen den Elektroden zirkulieren“, erklärt die Chemikerin Dr. Anja Marinow von der MLU. „Die Füllung hat eine gelartige Konsistenz und kombiniert die hohe Leitfähigkeit von Flüssigkeiten mit der thermischen Stabilität und Robustheit von Polymeren.“
Eine solche Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien ist auch für den Bereich der Elektromobilität spannend, schließlich laufen viele Elektroautos mit solchen Energieträgern. Doch wieso ist eine gelartige Konsistenz so interessant für die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien? „Die Elektrolyte, in denen die Ionen für den Stromfluss zwischen den Elektroden transportiert werden, sind leicht entzündlich, was bei Beschädigungen der Batterie zu Feuer und Explosionen führen kann“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Binder, Leiter der Forschungsgruppe für Makromolekulare Chemie an der MLU. Genau das soll durch das neue Batterie-Gel der Forschenden verhindert werden.
Gel-Batterien mit traditionellen Elektrolyten sind keine komplett neue Erfindung, vielmehr werden sie bereits seit langem zum Beispiel als Starterbatterien in Motorrädern verbaut. In Verbindung mit Lithium-Ionen sind sie jedoch laut der MLU technisches Neuland. Das liegt nicht zuletzt an einer besonderen Herausforderung, so das Forschungsteam: „In bisherigen Lithium-Ionen-Akkus erzeugen die flüssigen Elektrolyte beim ersten Ladevorgang eine stabilisierende Schicht an den Elektroden, die für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie entscheidend ist“, sagt Marinow. „Bei Gel-Elektrolyten brauchen wir dafür allerdings ein grundlegend neues Design.“ Die Forschenden haben dieses Problem gelöst, indem sie ein Ionen-Gerüst fest in die Molekülketten des Polymers einbinden.
Erste Testläufe im Labor zeigen: Der Ansatz könnte sogar nicht nur die Sicherheit der Akkus erhöhen, sondern gleichzeitig auch ihre Lebensdauer und Leistungsfähigkeit verbessern. „Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen gelten etwa 3,6 Volt als kritische Größe für die Stabilität der Elektrolyte“, sagt Wolfgang Binder. „Unsere gelartigen Elektrolyte sind auch bei über fünf Volt stabil.“
Dabei sind die Gele nachhaltig designt: Nach einem Defekt oder am Lebensende des Akkus können sie relativ unkompliziert recycelt werden. Bevor die neuen Lithium-Ionen-Gel-Batterien jedoch im industriellen Maßstab hergestellt werden können, sind noch umfangreiche Langzeitstudien erforderlich, räumt die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg ein.
Nun planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der MLU, die Forschung insbesondere zur Nachhaltigkeit im Rahmen des „European Center for Just Transition Research and Impact-Driven Transfer (JTC)“ weiterzuführen und auszubauen. Das im Aufbau befindliche Zentrum an der MLU soll forschungsbasierte Lösungen für den Strukturwandel in Sachsen-Anhalt entwickeln, etwa im Bereich der Kreislaufwirtschaft oder sozialer Innovationen.
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