ETH-Zürich-Forscher entwickeln unentzündlichen Akku

Handy-Akkus, die sich selbst entzünden, sollen bald der Vergangenheit angehören. Forscher der ETH Zürich haben einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der selbst bei sehr hohen Temperaturen nicht entzündlich sein soll. Wie die Hochschule auf ihrer Website schreibt, besteht der Akku im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen ausschliesslich aus festem Material.

In klassischen Lithium-Ionen-Akkus sowie in den meisten anderen Batterien bewegen sich Ladungen in einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden (Plus- und Minuspol). Bei unsachgemässem Aufladen (Überladung) oder in der Sonne kann sich diese Flüssigkeit entzünden beziehungsweise das Gel aufquellen.

Produktionsverfahren mit Poren

Beim sogenannten Festkörperakku hingegen bestehen nicht nur die Elektroden, sondern auch das dazwischenliegende Elektrolyt aus festen chemischen Verbindungen. Jennifer Rupp, Leiterin der Entwicklung des neuen Akku-Typen und Professorin für elektrochemische Materialien an der ETH Zürich, sagt: "Wir haben in dieser Arbeit erstmals einen ganzen Lithium-Ionen-Akku mit einem festen Lithiumgranat-Elektrolyten und einem festen Minuspol aus einem Oxid hergestellt. Damit haben wir gezeigt, dass es möglich ist, mit Lithiumgranat ganze Batterien zu bauen."

Die Herausforderung bei der Entwicklung eines solchen Festkörperakkus sei es, Elektroden und Elektrolyt so miteinander zu verbinden, dass Ladungen möglichst widerstandsfrei zwischen ihnen zirkulieren können. Deshalb stellten die ETH-Forschenden im Labor einen "sandwichartig" aufgebauten Akku her, bei dem zwischen den beiden Elektroden eine Schicht einer lithiumhaltigen Verbindung (Lithiumgranat) als fester Elektrolyt liegt. Diese Elektrolytschicht erhielt eine poröse Oberfläche, damit das flüssige Minuspolmaterial in die Poren eindringen und anschliessend durch Erhitzung gehärtet werden konnte. Durch dieses Verfahren mit den Poren sei die Kontaktfläche zwischen Minuspol und Elektrolyt stark vergrössert, wodurch der Akku schneller geladen werden könne.

Dünnschichtakkus direkt auf dem Siliziumchip

Am besten würden die Akkus im heutigen Entwicklungsstandard bei etwa 95 Grad funktionieren, sagt Semih Afyon, Professor am Izmir Institute of Technology in der Türkei und ehemaliger Wissenschaftler in Jennifer Rupps Gruppe. Deshalb schlägt er vor, das neue Verfahren in Batterie-Speicherkraftwerken zu nutzen und diese mit Industrieanlagen zu koppeln. Mit der Abwärme aus dem Industrieprozess liesse sich das Speicherkraftwerk bei optimalen Temperaturen betreiben, erklärt Afyon.

Ausser der Tatsache, dass sich Batterien durch die festen Elektrolyten bei höheren Temperaturen betreiben liessen, seien auch neue Batteriedesigns möglich. Laut Rupp liessen sich Dünnschichtakkus bauen, darunter auch solche, die sich direkt auf Siliziumchips platzieren liessen. Das könnte die Energieversorgung von tragbaren Elektronikgeräten revolutionieren, sagt Rupp. Die Forscherin und ihr Team verfolgen diesen Ansatz in Zusammenarbeit mit Industriepartnern, dem Paul-Scherrer-Institut und der Empa weiter. Zunächst wollen sie die Leitfähigkeit an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche weiter erhöhen.