Ein neuartiges Gel, das Chemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) entwickelt haben, könnte helfen, Lithium-Ionen-Akkus sicherer und leistungsfähiger zu machen. Das Gel soll verhindern, dass die leicht entzündliche Elektrolytflüssigkeit ausläuft.
Erste Laborstudien zeigen, dass sich dadurch auch die Leistung und Lebensdauer der Batterien verbessern. Die Forscher haben veröffentlicht ihre Arbeit in der Zeitschrift Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
Lithium-Ionen-Batterien sind wahre Kraftpakete. „Sie laden sich schneller auf als herkömmliche Akkus und sind deshalb in nahezu allen Lebensbereichen einsetzbar“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Binder, Leiter der Forschungsgruppe Makromolekulare Chemie der MLU.
„Allerdings sind die Elektrolyte, die die Ionen transportieren, die den Strom zwischen den Elektroden leiten, leicht entflammbar. Das kann dazu führen, dass die Batterie Feuer fängt oder im Falle einer Beschädigung explodiert.“
Die Forscher der MLU arbeiten daran, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus zu verbessern. „Wir haben einen Kunststoff entwickelt, der in die Batteriezelle gefüllt werden kann. Der Elektrolyt wird an diesen Stoff gebunden, die Ionen können jedoch weiterhin frei zwischen den Elektroden zirkulieren“, erklärt Dr. Anja Marinow, Chemikerin an der MLU.
„Die Füllung hat eine gelartige Konsistenz und vereint die hohe Leitfähigkeit von Flüssigkeiten mit der thermischen Stabilität und Robustheit von Polymeren.“
Gel-Batterien mit herkömmlichem Elektrolyt sind grundsätzlich nichts Neues und werden beispielsweise als Starterbatterien in Motorrädern eingesetzt. In Kombination mit Lithium-Ionen sind sie jedoch technologisches Neuland.
Das liegt vor allem an einer besonderen Herausforderung: „Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus bilden die flüssigen Elektrolyte beim ersten Laden des Akkus eine stabilisierende Schicht auf den Elektroden. Diese ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Akkus“, erklärt Marinow.
„Bei den Gelelektrolyten benötigten wir allerdings ein grundsätzlich neues Design.“ Dieses Problem lösten die Forscher, indem sie in die Molekülketten des Polymers ein ionisches Gerüst integrierten.
Erste Testläufe im Labor zeigen, dass sich mit dem Ansatz die Sicherheit der Batterien erhöhen und sogar Lebensdauer und Leistung verbessern ließen. „Rund 3,6 Volt gelten als kritischer Wert für die Stabilität der Elektrolyte in herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen“, sagt Binder. „Unsere Gelelektrolyte bleiben sogar bei über 5 Volt stabil.“
Auch Nachhaltigkeit wird großgeschrieben: Die Gele sind so konzipiert, dass sie bei einem Defekt oder am Ende der Lebensdauer der Batterie relativ einfach recycelt werden können. Bis die neuen Lithium-Gel-Batterien im industriellen Maßstab produziert werden können, sind allerdings noch umfangreiche Langzeitstudien nötig.
Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Projektes „BAT4EVER“ durchgeführt. Beteiligt waren Universitäten, Forschungszentren und Industriepartner aus Deutschland, Belgien, Luxemburg, Italien, Spanien und der Türkei.
Im Rahmen des „European Center for Just Transition Research and Impact-Driven Transfer (JTC)“ sollen die Forschungen fortgeführt und insbesondere im Bereich Nachhaltigkeit ausgebaut werden. Das derzeit an der MLU entstehende Zentrum soll forschungsbasierte Lösungen entwickeln, die den Strukturwandel in Sachsen-Anhalt unterstützen, etwa im Bereich der Kreislaufwirtschaft oder sozialer Innovationen.
Weitere Informationen:
Zviadi Katcharava et al., Entwicklung leitfähiger Pyrrolidinium‐basierter Dual‐Network‐Gelelektrolyte: Leistungsanpassung durch dynamische und kovalente Vernetzung, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2024). DOI: 10.1002/adfm.202403487