16.07.2020 - Texas A&M University

Neue Lithium-Batterie lädt schneller, reduziert die Gefahr von Geräteexplosionen

Forscher der Texas A&M University haben eine Technologie erfunden, die verhindern kann, dass sich Lithiumbatterien erhitzen und ausfallen

Mobiltelefonbatterien erhitzen sich oft und können manchmal in Flammen aufgehen. In den meisten Fällen lässt sich der Verursacher solcher Vorfälle auf Lithium-Batterien zurückführen. Obwohl Lithiumbatterien lang anhaltende elektrische Ströme liefern, die Geräte mit Strom versorgen können, können sie intern einen Kurzschluss verursachen und das Gerät aufheizen.

Forscher der Texas A&M University haben eine Technologie erfunden, die verhindern kann, dass sich Lithiumbatterien erhitzen und ausfallen. Ihr Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Design für die leitende Platte der Batterie, die so genannte Anode, ermöglicht die sichere Lagerung einer großen Menge an Lithium-Ionen und verringert dadurch die Brandgefahr. Darüber hinaus sagten sie, dass ihre neue Anodenarchitektur dazu beitragen wird, dass Lithiumbatterien schneller geladen werden als die derzeit im Handel erhältlichen Batterien.

"Wir haben die nächste Generation von Anoden für Lithiumbatterien entwickelt, die effizient große und anhaltende Ströme erzeugen, die zum schnellen Aufladen von Geräten benötigt werden", sagte Juran Noh, ein Doktorand der Materialwissenschaften im Labor von Dr. Choongho Yu im J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering. "Außerdem verhindert diese neue Architektur, dass sich Lithium außerhalb der Anode ansammelt, was im Laufe der Zeit zu einem unbeabsichtigten Kontakt zwischen dem Inhalt der beiden Batteriefächer führen kann, was eine der Hauptursachen für Geräteexplosionen ist.

Ihre Ergebnisse werden in der März-Ausgabe der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Wenn Lithiumbatterien in Gebrauch sind, bewegen sich geladene Teilchen zwischen den beiden Batteriefächern. Die von den Lithiumatomen abgegebenen Elektronen bewegen sich von einer Seite der Batterie zur anderen. Auf der anderen Seite bewegen sich Lithium-Ionen in die andere Richtung. Beim Aufladen der Batterie kehren Lithium-Ionen und Elektronen in ihre ursprünglichen Fächer zurück.

Daher spielt die Eigenschaft der Anode, d.h. des elektrischen Leiters, der die Lithium-Ionen in der Batterie aufnimmt, eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften der Batterie. Ein häufig verwendetes Anodenmaterial ist Graphit. Bei diesen Anoden werden Lithium-Ionen zwischen Graphitschichten eingefügt. Noh sagte jedoch, dass dieses Design die Menge der Lithium-Ionen, die in der Anode gespeichert werden können, begrenzt und sogar mehr Energie erfordert, um die Ionen während des Ladens aus dem Graphit herauszuziehen.

Diese Batterien haben auch ein heimtückischeres Problem. Manchmal lagern sich Lithium-Ionen nicht gleichmäßig auf der Anode ab. Stattdessen lagern sie sich auf der Anodenoberfläche in Brocken an und bilden baumähnliche Strukturen, so genannte Dendriten. Mit der Zeit wachsen die Dendriten und durchdringen schließlich das Material, das die beiden Batteriekammern voneinander trennt. Dieser Bruch führt zu einem Kurzschluss der Batterie und kann das Gerät in Brand setzen. Wachsende Dendriten beeinträchtigen auch die Leistung der Batterie, indem sie Lithium-Ionen verbrauchen, so dass sie für die Stromerzeugung nicht mehr zur Verfügung stehen.

Noh sagte, dass bei einem anderen Anodendesign reines Lithiummetall anstelle von Graphit verwendet wird. Im Vergleich zu Graphitanoden haben Anoden mit Lithiummetall einen viel höheren Energiegehalt pro Masseneinheit oder Energiedichte. Aber auch sie können auf die gleiche katastrophale Weise durch die Bildung von Dendriten versagen.

Um dieses Problem anzugehen, entwarfen Noh und ihre Teamkollegen Anoden aus hochleitfähigen, leichten Materialien, die als Kohlenstoff-Nanoröhren bezeichnet werden. Diese Kohlenstoff-Nanoröhren-Gerüste enthalten Räume oder Poren, in die Lithium-Ionen eindringen und sich ablagern können. Diese Strukturen binden jedoch nicht günstig an Lithium-Ionen.

Daher stellten sie zwei weitere Kohlenstoff-Nanoröhren-Anoden mit leicht unterschiedlicher Oberflächenchemie her - eine mit einer Fülle von Molekülgruppen, die sich an Lithiumionen binden können, und eine andere mit denselben Molekülgruppen, jedoch in geringerer Menge. Mit diesen Anoden bauten sie Batterien, um die Neigung zur Bildung von Dendriten zu testen.

Wie erwartet, fanden die Forscher heraus, dass Gerüste, die nur aus Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen, sich nicht gut an Lithium-Ionen binden. Folglich gab es fast keine Dendritenbildung, aber die Fähigkeit der Batterie, große Ströme zu erzeugen, war ebenfalls beeinträchtigt. Auf der anderen Seite bildeten Gerüste mit einem Überschuss an Bindungsmolekülen viele Dendriten, was die Lebensdauer der Batterie verkürzte.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Anoden mit einer optimalen Menge der bindenden Moleküle verhinderten jedoch die Bildung von Dendriten. Darüber hinaus konnte sich eine große Menge an Lithium-Ionen binden und entlang der Oberfläche des Gerüsts ausbreiten, wodurch die Fähigkeit der Batterie zur Erzeugung großer, anhaltender Ströme erhöht wurde.

"Wenn die bindenden Molekülgruppen reichlich vorhanden sind, verstopfen Lithium-Metall-Cluster aus Lithium-Ionen am Ende nur die Poren auf den Gerüsten", sagte Noh. "Aber wenn wir genau die richtige Menge dieser bindenden Moleküle hatten, konnten wir die Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Gerüste nur an bestimmten Stellen 'aufreißen', so dass Lithium-Ionen durchkommen und sich an die gesamte Oberfläche der Gerüste binden konnten, anstatt sich an der Außenfläche der Anode anzusammeln und Dendriten zu bilden.

Noh sagte, dass ihre Anoden mit der höchsten Leistung fünfmal höhere Ströme verkraften als kommerziell erhältliche Lithium-Batterien. Sie wies darauf hin, dass diese Eigenschaft besonders nützlich für große Batterien ist, wie sie beispielsweise in Elektroautos verwendet werden, die schnell aufgeladen werden müssen.

"Lithium-Metall-Anoden zu bauen, die sicher sind und eine lange Lebensdauer haben, ist seit vielen Jahrzehnten eine wissenschaftliche Herausforderung", sagte Noh. "Die Anoden, die wir entwickelt haben, überwinden diese Hürden und sind ein wichtiger, erster Schritt hin zu kommerziellen Anwendungen von Lithium-Metall-Batterien".

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