Mehr Sicherheit und Leistung: Forschende entwickeln Gelfüllung für Lithium-Ionen-Akkus

Ein neuartiges Gel könnte helfen, Lithium-Ionen-Akkus sicherer und leistungsfähiger zu machen. Entwickelt haben es Chemikerinnen und Chemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Das Gel soll das Auslaufen der leichtentzündlichen Elektrolytflüssigkeit verhindern. Erste Studien im Labor zeigen, dass mit dem Konzept auch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Akkus verbessert wird. Über ihre Arbeit berichten die Forschenden im Journal "Advanced Functional Materials".

Lithium-Ionen-Batterien sind wahre Kraftpakete: "Sie lassen sich schneller laden als herkömmliche Akkus und sind deshalb in nahezu allen Lebensbereichen im Einsatz", sagt Prof. Dr. Wolfgang Binder, Leiter der Forschungsgruppe für Makromolekulare Chemie an der MLU. "Die Elektrolyte, in denen die Ionen für den Stromfluss zwischen den Elektroden transportiert werden, sind jedoch leicht entzündlich, was bei Beschädigungen der Batterie zu Feuer und Explosionen führen kann."

Die Forschenden arbeiten daran, Lithium-Ionen-Akkus sicherer zu machen. "Wir haben ein Polymer entwickelt, mit dem die Batteriezelle gefüllt wird. In dieser Substanz ist das Elektrolyt gebunden, die Ionen können jedoch weiter frei zwischen den Elektroden zirkulieren", erklärt die Chemikerin Dr. Anja Marinow von der MLU. "Die Füllung hat eine gelartige Konsistenz und kombiniert die hohe Leitfähigkeit von Flüssigkeiten mit der thermischen Stabilität und Robustheit von Polymeren." 

Gel-Batterien mit traditionellen Elektrolyten sind nicht grundsätzlich neu, sie werden beispielsweise als Starterbatterien in Motorrädern verbaut. In Verbindung mit Lithium-Ionen sind sie jedoch technisches Neuland. Das liegt nicht zuletzt an einer besonderen Herausforderung: "In bisherigen Lithium-Ionen-Akkus erzeugen die flüssigen Elektrolyte beim ersten Ladevorgang eine stabilisierende Schicht an den Elektroden, die für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie entscheidend ist", sagt Marinow. "Bei Gel-Elektrolyten brauchen wir dafür allerdings ein grundlegend neues Design." Die Forschenden haben dieses Problem gelöst, indem sie ein Ionen-Gerüst fest in die Molekülketten des Polymers einbinden.

Erste Testläufe im Labor zeigen: Der Ansatz könnte die Sicherheit der Akkus erhöhen und gleichzeitig sogar ihre Lebensdauer und Leistungsfähigkeit verbessern. "Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen gelten etwa 3,6 Volt als kritische Größe für die Stabilität der Elektrolyte", sagt Wolfgang Binder. "Unsere gelartigen Elektrolyte sind auch bei über fünf Volt stabil." Auch die Nachhaltigkeit steht im Fokus der Entwicklung: Die Gele sind so designt, dass sie nach einem Defekt oder am Lebensende des Akkus relativ unkompliziert recycelt werden können. Bevor die neuen Lithium-Ionen-Gel-Batterien jedoch im industriellen Maßstab hergestellt werden können, sind noch umfangreiche Langzeitstudien erforderlich.

Die Forschungsarbeiten fanden im Rahmen des Projekts "BAT4EVER" statt, das im Horizon-2020-Programm von der Europäischen Kommission gefördert wurde. Am Projekt waren Universitäten, Forschungszentren und Industriepartner aus Deutschland, Belgien, Luxemburg, Italien, Spanien und der Türkei beteiligt. Geplant ist, die Forschung insbesondere zur Nachhaltigkeit im Rahmen des "European Center for Just Transition Research and Impact-Driven Transfer (JTC)" weiterzuführen und auszubauen. Das im Aufbau befindliche Zentrum an der MLU soll forschungsbasierte Lösungen für den Strukturwandel in Sachsen-Anhalt entwickeln, etwa im Bereich der Kreislaufwirtschaft oder sozialer Innovationen.

Studie: Katcharava Z. et al. Designing Conductive Pyrrolidinium-Based Dual Network Gel Electrolytes: Tailoring Performance with Dynamic and Covalent Crosslinking. Advanced Functional Materials (2024). doi: 10.1002/adfm.202403487