Forschende der Technischen Universität Nanjing haben Medienberichten zufolge ein neuartiges Isoliermaterial für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das Temperaturen von bis zu 1300 Grad Celsius standhalten soll. Das Material soll das sogenannte thermische Durchgehen einzelner Batteriezellen verhindern oder eindämmen und so die Sicherheit im Brandfall verbessern.
Bei dem Material handelt es sich um eine Isolierfolie auf Basis eines Silica-Aerogels. Die Folie verlangsamt die Wärmeübertragung zwischen einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen beim thermischen Durchgehen: Gerät eine der hunderten Batteriezellen in modernen Hochvoltbatterien durch Überhitzung, mechanische Beschädigung oder einen Produktionsfehler außer Kontrolle, kann eine Kettenreaktion einsetzen, bei der zunächst die Temperatur in der beschädigten Zelle stark ansteigt. Die Wärme setzt chemische Zerfallsprozesse in Gang, die ihrerseits weitere Wärme freisetzen – eine sich selbst verstärkende Reaktion. Der Elektrolyt im Zellinneren verdampft und erzeugt Druck, woraufhin die Zelle sich aufblähen und bersten kann. Die entstehende Hitze überträgt sich auf benachbarte Zellen, die ebenfalls in einen unkontrollierten Zustand geraten können.
Die Temperaturen können dabei weit über 700 Grad Celsius erreichen, zudem gelten Brände aus thermisch durchgehenden Batterien als besonders schwer zu löschen, weil die chemische Reaktion im Inneren des Akkus weiterläuft und sich immer wieder neu entfachen kann. Feuerwehren setzen daher oft große Mengen Wasser ein oder tauchen betroffene Fahrzeuge in spezielle Löschwassertanks, um die Batterie dauerhaft abzukühlen.
Das Material besteht zu rund 99 Prozent aus Luft
In den Tests, die die Forschenden der Technischen Universität Nanjing durchgeführt haben, hielt eine 2,3 Millimeter dicke Platte, die fünf Minuten lang einer Temperatur von 1000 Grad Celsius ausgesetzt war, die Temperatur auf der gegenüberliegenden Seite bei unter 100 Grad. Das Material soll die thermische Isolierung bis zu zwei Stunden lang aufrechterhalten können. Frühere Aerogel-Lösungen für Batterien konnten diese Leistung typischerweise nur bis etwa 300 Grad Celsius aufrecht erhalten und lagen somit unter den Temperaturen, die beim thermischen Durchgehen beobachtet werden, die in der Regel bei 650 bis 1000 Grad Celsius liegen. Die neue Version der Aerogel-Isolierung konnte ihre Temperaturbeständigkeit nun von 650 Grad auf 1300 Grad steigern.
Aerogel ist ein außergewöhnliches, nanoporöses Feststoffmaterial, das zu rund 99 Prozent aus Luft besteht. Es entsteht, wenn die Flüssigkeit in einem gelartigen Stoff unter speziellen Bedingungen durch Gas ersetzt wird, ohne dass die feine, schwammartige Struktur dabei kollabiert. Das Ergebnis ist ein extrem leichtes, aber festes Material – Aerogel zählt deshalb zu den leichtesten Feststoffen überhaupt. Es gilt zudem als eines der leistungsfähigsten Isoliermaterialien: Die unzähligen winzigen Luftkammern in der Aerogel-Struktur leiten Wärme kaum weiter.
Erste Batteriehersteller sollen die Aerogel-Isolierung bereits nutzen
Das chinesische Forschungsteam verbesserte die Wärmebeständigkeit des verwendeten Aerogels weiter, indem es seine Struktur verstärkte und die Katalysatorbedingungen während der Synthese anpasste. So gilt das Material typischerweise als spröde – die Forschenden konnten das Material jedoch so optimieren, dass es eine elastische Kompression von über 90 Prozent erreichen und gleichzeitig die strukturelle Stabilität beibehalten kann. Diese Fähigkeit ist gerade im Kontext von Batterieanwendungen wichtig, da die Batteriezellen sich beim Be- und Entladen ausdehnen und zusammenziehen.
Laut einem Bericht des Branchenportals CarNewsChina kommt das Aerogel-Material bereits in Batteriesystemen von CATL, BYD, Sungrow und Xiaomi zum Einsatz. Auch die Luft- und Raumfahrt sowie industrielle Hochtemperaturumgebungen sollen zu den möglichen Einsatzgebieten gehören.
Quelle: Interesting Engineering – China’s researchers unveil 2,372°F lithium battery ‘firewall’ to prevent EV fires
Wird geladen...