Wie die Batterie vorm Explodieren warnt

Stanford (USA)/Peking (China) - Ob das Handy in der Hosentasche in Flammen aufgeht oder die Batteriepacks einer Boeing: Kurzschlüsse in Lithium-Ionen-Akkus sind zwar selten, aber gefürchtet. Deshalb entwickelten Forscher aus den USA und China jetzt ein simples Frühwarnsystem für solche Extremschäden. Eine hauchdünne Kupferfolie zwischen den Elektroden hilft frühzeitig erkennen, wenn durch Metallablagerungen im Innern ein Kurzschluss droht. Die Schicht lässt sich in gängige Lithium-Ionen-Akkus integrieren, berichten die Forscher im Fachblatt „Nature Communications“. Dabei ist das Haupteinsatzfeld der Methode vermutlich weniger die jährlich milliardenfach verkaufte Kleinelektronik vom Mobiltelefon bis zum Laptop – denn dort entfallen viele Schäden auf minderwertige Billig-Ersatzakkus. Wichtiger dürfte die Methode im wachsenden Markt von Elektroautos und Groß-Energiespeichern etwa für Windenergie sein: Dafür werden hunderte Akkuzellen zusammengeschaltet und eine einzige defekte könnte den gesamten Batterieblock in Brand setzen.

„Die Wahrscheinlichkeit für solche Kurzschlüsse liegt vielleicht bei eins zu einer Million“, erklärt Yi Cui, Professor für Materialforschung an der Stanford University, „doch wir wollen die Zahl von Batteriefeuern auf eins zu einer Milliarde senken – oder vielleicht sogar auf Null.“ Immerhin hatte Sony im Jahr 2006 Millionen von Lithium-Ionen-Akkus zurückgerufen, nachdem rund ein Dutzend Laptops ihretwegen in Flammen aufgegangen waren. Und Boeing ließ 2013 seine neuen 787 Dreamliner-Modelle am Boden, nachdem in zweien davon die Akkupacks Feuer gefangen hatten.

Herzstück des neuen Frühwarnsystems ist eine hauchdünne Kupferschicht, mittig zwischen den Elektroden herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus. Diese bestehen aus einer Kohlenstoff-Anode und einer Lithium-Metalloxid-Kathode, umspült von einer Elektrolytlösung. Nur eine dünne Polymer-Trennschicht separiert die beiden, lässt aber die Lithium-Ionen während des Lade- oder Entladevorgangs hindurch. Neben Defekten der Trennschicht kann auch zu schnelles Aufladen oder Laden bei Kälte zu Kurzschlüssen führen, so die Forscher: „Überladen bringt Lithium-Ionen dazu, sich an der Anode anzulagern und sogenannte Dendriten wachsen zu lassen. Diese können die poröse Trennschicht durchbohren und schließlich den Kontakt zur Kathode schließen“. Die beim Kurzschluss entstehende Hitze wiederum kann den brennbaren Elektrolyten entzünden.

Hier setzt nun die „smarte Trennschicht“ an, die die Stanford-Forscher gemeinsam mit Hui Wu von der Pekinger Tsinghua Universität entwickelten. Auf eine Seite der normalen Polymerschicht deponierten sie eine nur 50 Nanometer dicke Kupferschicht – rund 500-mal dünner als die Trennschicht selbst und de facto eine dritte Elektrode auf halbem Weg zwischen Anode und Kathode, die aber sonst keine nennenswerten Auswirkungen auf die Akku-Leistung habe. „Die Kupfer-Lage agiert wie ein Sensor und ermöglicht es, die Spannungsdifferenz zwischen Anode und Trennschicht zu messen“, berichtet Ko-Autor Denys Zhuo: „Wenn die Dendriten lang genug gewachsen sind, um die Kupferbeschichtung zu erreichen, sinkt diese Spannung auf Null. So weiß man, dass die Dendriten schon den halben Weg durch die Batterie geschafft haben.“ Da sie die zweite Hälfte allerdings noch vor sich haben, bleibe jetzt bei einer automatisierten Warnmeldung Zeit genug, den Akku aus dem Gerät zu nehmen, bevor die Dendriten die andere Kathode erreichen und einen Kurzschluss auslösen.

Wolle man noch sicherer gehen, so die Forscher, könne man die Kupferschicht noch näher an die Anode bringen. Im Prinzip lasse sich die Frühwarntechnologie auch in Zink-, Aluminium- und anderen Metalloxid-Batterien nutzen, so Cui: „Es funktioniert in allen Batterien, in denen man einen Kurzschluss entdecken muss, kurz bevor sie explodiert“. Allerdings nur bei Dendriten-Problemen, wie sie während des normalen Lade- und Entladebetriebs auftreten. Nicht erkannt werden Probleme durch Risse, verunreinigtes Material oder Kurzschlüsse etwa durch Sturzschäden.