Neue Elektrolyttechnologie von CUHK löst Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Batterien

Von wiederaufladbaren Batterien in tragbaren elektronischen Geräten bis hin zu Energiequellen für Elektrofahrräder und neue Energiefahrzeuge sind Sicherheitsunfälle, die durch Brände und Verbrennungen von Lithium-Ionen-Batterien verursacht werden, zunehmend in den Fokus der globalen Aufmerksamkeit gerückt. Laut einem Bericht von CNN vom 22. hat ein Forschungsteam der Chinesischen Universität Hongkong (CUHK) eine neue Technologie entwickelt, die das Risiko von Explosionen und Bränden von Lithium-Ionen-Batterien erheblich reduzieren kann, und diese Technologie wird voraussichtlich innerhalb der nächsten 3 bis 5 Jahre kommerziell angewendet werden.

Der Bericht weist darauf hin, dass Lithium-Ionen-Batterien in verschiedenen Geräten von Smartphones bis hin zu neuen Energiefahrzeugen weit verbreitet sind. Forscher erklärten, dass Lithium-Ionen-Batterien unter normalen Nutzungsszenarien eine gute Sicherheit aufweisen, jedoch unsachgemäße Verwendung zu Brandgefahren und sogar zu tödlichen Folgen in extremen Fällen führen kann. Der Grund dafür ist, dass der Elektrolyt, der in Lithium-Ionen-Batterien enthalten ist, brennbar ist. Bei physikalischen Durchstichen, Überladung, extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen oder Produktionsfehlern verlieren die Batterien allmählich ihre Stabilität. Sobald eine Abnormalität auftritt, steigt die Batterietemperatur schnell an und entzündet den Elektrolyten, wodurch eine gefährliche Kettenreaktion ausgelöst wird, die als "thermisches Durchgehen" bekannt ist. Relevante statistische Daten zeigen, dass allein im Jahr 2024 im globalen zivilen Luftverkehrssektor 89 batteriebezogene Rauch-, Brand- oder Hochtemperatur-Anomalien aufgezeichnet wurden; im täglichen Leben sind auch Batteriebrandunfälle von Elektrofahrrädern, Elektrorollern und anderen Geräten keine Seltenheit.

Um diesen Sicherheitsengpass zu beheben, hat die globale wissenschaftliche Gemeinschaft aktiv technologische Forschungen durchgeführt, wie die Entwicklung von hochtemperaturbeständigen festen oder Gel-Elektrolyten zur Ersetzung traditioneller flüssiger Elektrolyte. Solche Lösungen erfordern jedoch umfangreiche Modifikationen der bestehenden Batterieproduktionslinien, was die Industrialisierungsschwelle erheblich erhöht und die Verbreitungsgeschwindigkeit der Technologie einschränkt. Im Gegensatz dazu benötigt das neue Lithium-Ionen-Batterie-Optimierungsschema, das vom CUHK-Team vorgeschlagen wurde, lediglich den Austausch der chemischen Komponenten im bestehenden Elektrolyten, ohne die Kernverbindungen des Produktionsprozesses zu verändern.

Forscher des Teams erklärten, dass die Hauptursache für Brände von Lithium-Ionen-Batterien die Zersetzung des Elektrolyten unter hohem Druck ist, die eine große Menge Wärme freisetzt und eine Kettenreaktion auslöst. Der neu entwickelte Elektrolyt verwendet ein binäres Lösungsmittelsystem, das diesen gefährlichen Reaktionsprozess genau blockieren kann. Unter normalen Temperaturbedingungen kann das erste Lösungsmittel die Kompaktheit der internen chemischen Struktur der Batterie aufrechterhalten, was die normale Leistungsabgabe der Batterie gewährleistet; wenn die Batterietemperatur abnormal ansteigt, aktiviert das zweite Lösungsmittel schnell den Schutzmechanismus, um Brandrisiken an der Quelle zu verhindern, indem es die chemische Struktur lockert und die mit dem thermischen Durchgehen verbundenen Reaktionen verlangsamt.

CNN zitierte Labortestdaten, die zeigen, dass die Temperatur nach dem Durchstechen der Lithium-Ionen-Batterie, die diese neue Technologie verwendet, nur um 3,5 Grad Celsius anstieg; im Gegensatz dazu stieg die Temperatur traditioneller Lithium-Ionen-Batterien unter denselben Testbedingungen auf 555 Grad Celsius. Forscher betonten, dass dieses technische Konzept keine negativen Auswirkungen auf die Kernleistung und Lebensdauer der Batterie haben wird. Tests haben gezeigt, dass die Batteriekapazität nach 1000 Lade-Entlade-Zyklen immer noch mehr als 80 % des ursprünglichen Wertes aufrechterhalten kann, was die Anforderungen an die kommerzielle Anwendung vollständig erfüllt.

Es ist erwähnenswert, dass diese Technologie nur den Austausch von Elektrolytzusammensetzungen umfasst, ohne dass bestehende Produktionslinien modifiziert werden müssen, und somit die grundlegenden Voraussetzungen für eine schnelle Industrialisierung erfüllt. Es wird geschätzt, dass nach der großflächigen Produktion die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien, die diese Technologie anwenden, im Wesentlichen die gleichen sein werden wie die aktueller Mainstream-Produkte. Derzeit hat die relevante Technologie die Phase der kommerziellen Weiterentwicklung erreicht. Donald Finnegan, ein leitender Wissenschaftler am U.S. National Renewable Energy Laboratory, kommentierte: "Dieser technologische Durchbruch ist aufregend, was bedeutet, dass zukünftige Lithium-Ionen-Batterien extremen Arbeitsbedingungen wie hohen Temperaturen und Kurzschlüssen standhalten können, wodurch Brandrisiken grundlegend vermieden werden."