US-Experten der Northwest Richland Laboratories haben eine Technik entwickelt, mit der das Risiko, dass Lithiumbatterien in Brand geraten, minimiert werden kann. Die Wissenschaftler konnten die Vorgänge im Inneren der Batterie verstehen und regulieren.
Die meisten modernen Batterien bestehen aus drei Komponenten – einem Elektrolyt, einer Kathode und einer Anode. Die Kathode ist die Energiequelle mit positivem Vektor, die Anode ist ebenfalls die Quelle, aber mit negativem Vektor, der Elektrolyt sorgt für die Bewegung der Ladung zwischen den Quellen. Die Kapazität der Batterie steht in direktem Zusammenhang mit den Bestandteilen der Kathode, und die Lebensdauer wird durch den Grad der Elektrolytverschlechterung während des Ladens bestimmt.
Explosionen in modernen Batterien werden durch Kurzschlüsse aufgrund von Überhitzung verursacht. Die Batterie erwärmt sich noch mehr, wodurch der Elektrolyt verdampft. Die dabei ablaufenden Prozesse lassen die Temperaturen auf bis zu 1.000 Grad Celsius ansteigen. Die sich bildenden Gasblasen führen dazu, dass das Gehäuse der Batterie platzt und der gesamte Inhalt herausspritzt.
Experten analysierten die Struktur und den Mechanismus der Prozesse und kamen zu dem Schluss, dass es dünne Lithiumfäden sind, die die Barriere zwischen Kathode und Anode überwinden und diese miteinander verbinden können, die die Explosionen auslösen. Forscher haben eine spezielle Nanobatterie hergestellt, die eine Mikroskopspitze als Anode und ein kleines Lithiumteilchen als Kathode verwendet, um die Prinzipien der Bildung dünner Fäden zu erforschen. Ein Strom wurde durch die Anode geleitet und angehoben, wodurch sich Lithiumfäden bildeten. Die Forscher beobachteten den Prozess des Fadenwachstums und analysierten die Art und Weise des Wachstums.
Experimentell wurden mehrere Details beobachtet. Zunächst wachsen die Fäden mit einer Geschwindigkeit von etwa 250 Nanometern pro Sekunde, wobei die Wachstumsrichtung die entgegengesetzt geladene Elektrode ist. Die Art und Weise, wie sich die Fäden bewegen, hängt von der Struktur der Lithiumverbindungen, dem Vorhandensein von Kohlenstoffpartikeln und der Anordnung der Elektrodenoberflächen ab.
Die Untersuchung der Merkmale ermöglichte es, vorherzusagen, wie die Fäden sprießen würden und in welchem Stadium sie die Anode oder Kathode berühren würden. Den Forschern gelang es, den Prozess der wuchernden Formationen zu stoppen, indem sie dem Elektrolyt eine spezielle Verbindung aus Benzol und Sauerstoff zusetzten. Weitere Beobachtungen werden wahrscheinlich das optimale Zusammenspiel aufdecken, und das Problem der brennenden Lithiumbatterien wird wahrscheinlich bald gelöst sein.
Wie wurde das Problem des Feuers in Lithiumbatterien praktisch gelöst? Gibt es neue Sicherheitstechnologien, die die Entstehung von Bränden verhindern können?