Forschung -

Graphenbeschichtung kann Brände von Lithium-Batterien verhindern

Lithium-Batterien ermöglichen es Elektrofahrzeugen, mehrere Hundert Kilometer mit einer Ladung zu bewältigen. Ihre hohe Energiespeicherung ist bekannt, aber auch ihre Tendenz, gelegentlich Feuer zu fangen - ein Ereignis, das von Batteriespezialisten als "thermal runaway" bezeichnet wird.

Diese Brände treten dann am häufigsten auf, wenn die Batterien überhitzen oder zu schnelle Lade/Entladezyklen durchlaufen. Da jedes Jahr mehr und mehr Elektrofahrzeuge unterwegs sind, muss sich die Batterietechnologie schnell der Wirklichkeit anpassen, um die Wahrscheinlichkeit dieser gefährlichen und katastrophalen Brände zu verringern.

Forscher der 'University of Illinois at Chicago' berichten nunmehr, dass Graphen - ein Wundermaterial des 21. Jahrhunderts - den Sauerstoff aus den Bränden von Lithium-Batterien entfernen kann. Sie berichten über ihre Forschungsergebnisse in "Advanced Functional Materials".

Die Gründe, warum Lithium-Batterien Feuer fangen, sind schnelle Lade/Entladezyklen sowie hohe Temperaturen in der Batterie. Diese Bedingungen können dazu führen, dass die Kathode im Inneren der Batterie - bei den meisten Lithium-Batterien handelt es sich um ein lithiumhaltiges Oxid, meist Lithium-Kobalt-Oxid - zerfällt und dabei Sauerstoff freisetzt.

Wenn sich der Sauerstoff mit anderen brennbaren Produkten verbindet, die durch die Zersetzung des Elektrolyten bei ausreichender Wärmeentwicklung entstehen, kann es zu einer spontanen Selbstentzündung kommen.

"Wir dachten, wenn es eine Möglichkeit gäbe, zu verhindern, dass der Sauerstoff die Kathode verlässt und sich mit anderen brennbaren Produkten in der Batterie vermischt, könnten wir die Wahrscheinlichkeit eines Brandes verringern", sagte Professor Reza Shahbazian-Yassar vom UIC College of Engineering und korrespondierender Autor des Forschungsberichtes.

Es stellte sich heraus, dass ein Material, mit dem Shahbazian-Yassar sehr vertraut ist, eine perfekte Lösung für dieses Problem darstellt. Dieses Material ist Graphen - eine hauchdünne Schicht aus Kohlenstoffatomen mit einzigartigen Eigenschaften. Shahbazian-Yassar und seine Kollegen hatten zuvor Graphen verwendet, um die Lithiumanhäufung an Elektroden in Lithium-Metall-Batterien zu modulieren.

Shahbazian-Yassar und seine Kollegen wussten, dass Graphenblätter für Sauerstoffatome undurchlässig sind. Graphen ist auch stabil, flexibel und kann elektrisch leitfähig gemacht werden.

Shahbazian-Yassar und Dipl.-Ing. Soroosh Sharifi-Asl, Hauptautor des Berichtes, dachten, wenn sie sehr kleine Partikel der Lithium-Kobaltoxid-Kathode in einer Lithium-Batterie mit Graphen ummanteln, könnte dies das Entweichen von Sauerstoff verhindern.

Zunächst veränderten die Forscher das Graphen chemisch, um es elektrisch leitfähig zu machen. Anschließend wickelten sie die winzigen Partikel der Lithium-Kobaltoxid-Kathodenelektrode in das leitfähige Graphen.

Als sie sich die mit Graphen umhüllten Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel mittels Elektronenmikroskopie ansahen, stellten sie fest, dass die Freisetzung von Sauerstoff bei hoher Hitze im Vergleich zu unverhüllten Partikeln deutlich reduziert war.

Anschließend formten sie die umhüllten Partikel mit einem Bindemittel zu einer nutzbaren Kathode und integrierten sie in eine Lithium-Metall-Batterie.

Als sie während der Batteriezyklen den freigesetzten Sauerstoff gemessen hatten, konnten sie selbst bei sehr hohen Spannungen kaum Sauerstoff aus den Kathoden feststellen. Und die Lithium-Metall-Batterie funktionierte auch nach 200 Zyklen noch einwandfrei.

"Die ummantelte Kathodenbatterie verlor nach schnellen Zyklen nur etwa 14 Prozent ihrer Kapazität im Vergleich zu einer herkömmlichen Lithium-Metall-Batterie, deren Leistung unter den gleichen Bedingungen um etwa 45 Prozent zurückging", sagte Sharifi-Asl.

"Graphen ist das ideale Material, um die Freisetzung von Sauerstoff in den Elektrolyten zu verhindern", sagte Shahbazian-Yassar. "Es ist sauerstoffundurchlässig, elektrisch leitfähig, flexibel und mechanisch stabil genug, um den Bedingungen innerhalb der Batterie gerecht zu werden."

"Graphen ist nur wenige Nanometer dick, sodass der Batterie kein zusätzliches Gewicht erhält. Unsere Forschung zeigt, dass die Verwendung in der Kathode die Freisetzung von Sauerstoff zuverlässig reduzieren kann und dass sich das Brandrisiko in diesen Batterien - die alles, von unseren Handys bis hin zu unseren Autos, mit Energie versorgen - deutlich reduzieren lässt."

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