Neue Lithium-Batterie kann nicht mehr explodieren

Kieselgelpulver vor der Vermischung mit dem Elektrolyten (Foto: Gabriel Veith)

Mit einem raffinierten Trick verhindern Gabriel Veith vom Oak Ridge National Laboratory und seine Kollegen von der University of Rochester, dass Lithium-Ionen-Batterien Feuer fangen oder explodieren, wenn sie mechanisch beschädigt werden. Bei einem derartigen Ereignis gibt es oft einen Kurzschluss - wenn sich die beiden Elektroden berühren, die nur durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind. Die gespeicherte Energie entlädt sich dann blitzartig.

Veith und seine Mitstreiter vermischen den Elektrolyten mit einem Zusatz, der diesen sofort erstarren lässt, wenn die Batterie mechanisch zerstört wird. Dann sind die Elektroden zuverlässig voneinander getrennt. Ein Kurzschluss ist ausgeschlossen. Andere Forscher erreichen das Gleiche, indem sie von vornherein einen festen Elektrolyten verwenden. Das geht allerdings zulasten der Kapazität und die Ladezeit verlängert sich. Ausserdem müssten die Hersteller ihren Produktionsprozess komplett umstellen. Bei der Verwendung des flüssigen Elektrolyten mit Erstarrungszusatz ändert sich der Herstellungsprozess hingegen nicht.

Veith hatte die Idee, ein Additiv einzusetzen, als er und seine Kinder mit Oobleck spielten. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes nicht-newtonsches Fluid. Es besteht aus Maisstärke, die in Wasser eingerührt wird. Die Mixtur verhält sich wie eine Flüssigkeit, wird aber fest, wenn mit Gewalt darauf eingeschlagen wird. Lässt der Druck nach, wird Oobleck wieder flüssig. So müsste sich auch ein Elektrolyt in einer Lithium-Batterie verhalten, dachte sich Veith und legte los.

Eigenschaften wie Oobleck

Gemeinsam mit seinen Kollegen fand er heraus, dass die Elektrolyt-Flüssigkeit die gleichen Eigenschaften annimmt wie Oobleck, wenn sie mit Kieselgel vermischt wird. Das ist feinpulvriges Siliziumdioxid. Die Forscher setzten Teilchen mit einem Durchmesser von rund 200 Nanometern ein. Bei einem heftigen Stoss verklumpten die Kieselgel-Partikel und blockierten den Ionenfluss zwischen den Elektroden. Ein folgenschwerer Kurzschluss wird dadurch unmöglich. "Wenn die Gelpartikel alle gleich gross sind, verteilen sie sich völlig homogen in dem Elektrolyten. Dann funktioniert es wunderbar", erläutert Veith. Wenn sie unterschiedlich gross seien, verklumpten sie nach einem Schlag nur teilweise, was schlecht sei.

Vorausgesetzt, sie finden einen industriellen Partner, wollen die Forscher vor allem in den E-Automarkt vordringen. Veith hat aber noch eine weitere ausgefallene Idee: Er will eine Batterie entwickeln, die von Geschossen nicht durchlöchert werden kann. Soldaten sollen sie wie eine kugelsichere Weste tragen. Dies würde das erhebliche Gewicht der militärischen Schutzausrüstung, unter der Kämpfer bei Einätzen stöhnen, um neun Kilogramm reduzieren.