Lithium-Ionen-Akkus sind eine der meistgenutzten Energiespeichertechnologien in der heutigen Zeit. Eine zentrale Rolle in ihrer Funktionsweise spielt der Elektrolyt. Dieses chemische Medium ermöglicht den Transport von Lithium-Ionen zwischen der Anode und der Kathode und somit den Lade- und Entladevorgang des Akkus. Doch trotz seiner essenziellen Funktion birgt der Elektrolyt auch erhebliche Risiken, insbesondere unter ungünstigen Betriebsbedingungen.
Ein typischer Elektrolyt in Lithium-Ionen-Akkus besteht aus:
Lithiumsalzen:
Die gebräuchlichsten Salze sind Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) und Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI).
Diese Salze liefern die Lithium-Ionen für den Ladungsfluss.
Organische Lösungsmittel:
Häufig verwendete Lösungsmittel sind Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Diethylcarbonat (DEC).
Diese Stoffe dienen als Trägermedium für die Ionenbewegung.
Additive:
Zusätze verbessern die Stabilität und Leistung des Elektrolyten, z. B. durch Bildung einer stabilen Festkörper-Elektrolyt-Grenzschicht (SEI) auf der Anode.
Der Elektrolyt ist entscheidend für den Ionenfluss zwischen Anode und Kathode. Verschiedene Vorteile bieten spezifische Vor- und Nachteile:
1. Flüssige Elektrolyte (organische Lösungsmittel):
2. Festelektrolyt:
3. Gelartige Elektrolyte:
4. Wässrige Elektrolyte:
5. Ionische Flüssigkeiten:
Der Elektrolyt sorgt für den Transport von Lithium-Ionen:
Beim Laden wandern die Ionen von der Kathode zur Anode durch den Elektrolyten.
Beim Entladen erfolgt die Wanderung der Ionen in umgekehrter Richtung.
Diese Bewegung der Ionen erzeugt den elektrischen Strom, der von externen Geräten genutzt wird. Gleichzeitig darf der Elektrolyt keinen Elektronenfluss zulassen, da dies zu einem internen Kurzschluss führen würde.
Die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten macht ihn anfällig für eine Reihe von Risiken, die sowohl die Funktion als auch die Sicherheit des Akkus beeinträchtigen können:
1. Entzündbarkeit und Explosionsgefahr
Organische Lösungsmittel im Elektrolyt sind hochentzündlich.
Bei mechanischen Beschädigungen oder thermischen Überlastungen kann der Elektrolyt leicht entzündet werden.
Ein Kurzschluss oder Überhitzung kann einen sogenannten "Thermal Runaway" auslösen, bei dem die Temperatur weiter ansteigt und der Akku in Brand gerät oder explodiert.
2. Toxische Gasfreisetzung
Unter hohen Temperaturen oder bei einem Brand des Akkus zersetzen sich die Elektrolyte und setzen giftige Gase frei, darunter:
Fluorwasserstoff (HF)
Kohlenmonoxid (CO)
Phosgen- oder Chlorgas-ähnliche Substanzen
Diese Gase können schwere Gesundheitsschäden verursachen, insbesondere Atemwegsreizungen und -verletzungen.
3. Chemische Instabilität
Elektrolyte sind bei hohen Spannungen oder Temperaturen instabil und können unkontrollierte chemische Reaktionen auslösen.
Die dabei entstehende Hitze kann die Batteriekomponenten zerstören und zur weiteren Degradation des Elektrolyten führen.
4. Umweltgefahren
Bei unsachgemäßer Entsorgung können die Bestandteile des Elektrolyten in die Umwelt gelangen und Wasser- oder Bodenverschmutzungen verursachen.
Lithiumsalze und organische Lösungsmittel sind toxisch und schwer abbaubar.
1. Verbesserte Elektrolyt-Formulierungen
Einsatz von weniger entflammbaren oder nicht brennbaren Lösungsmitteln.
Verwendung alternativer Lithiumsalze mit höherer thermischer und chemischer Stabilität.
2. Temperaturmanagement
Integration von Kühlsystemen, die die Betriebstemperatur innerhalb sicherer Grenzen halten.
3. Additive zur Stabilitätserhöhung
Spezielle Additive, die die Bildung einer stabilen SEI-Schicht fördern und so die chemische Reaktivitat reduzieren.
4. Fortschrittliche Sicherheitsmechanismen
Mechanismen wie Abschaltventile, Druckentlastungen oder elektrische Sicherheitsabschaltungen können Kurzschlüsse und Überhitzung verhindern.
Die Forschung konzentriert sich auf neue Elektrolytsysteme, die sicherer und leistungsfähiger sind:
Festkörperelektrolyte:
Diese ersetzen flüssige Elektrolyte und sind nicht entzündlich.
Sie bieten höhere Energiedichten und thermische Stabilität.
Wasserbasierte Elektrolyte:
Durch die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel wird die Entflammbarkeit stark reduziert.
Ionische Flüssigkeiten:
Diese Elektrolyte sind nicht brennbar und chemisch stabil bei hohen Temperaturen.
Hybrid-Elektrolyte:
Kombination aus flüssigen und festen Komponenten, um die Vorteile beider Systeme zu nutzen.
Der Elektrolyt ist eine unverzichtbare Komponente eines Lithium-Ionen-Akkus, die jedoch erhebliche Risiken birgt. Entflammbarkeit, chemische Instabilität und toxische Gasfreisetzungen sind die Hauptgefahren, die durch fortschrittliche Materialforschung und Sicherheitsmaßnahmen minimiert werden können. Mit der Weiterentwicklung von Elektrolytmaterialien und der Implementierung strenger Sicherheitsstandards kann die Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien noch sicherer und nachhaltiger gestaltet werden.
