Ein chinesisches Forschungsteam hat kürzlich einen neuartigen Elektrolyten für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt, der durch Wärmeauslösung eine Polymerbarriere bildet und so das Risiko eines thermischen Durchgehens effektiv eliminiert, was einen stabilen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich ermöglicht. Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift „Nature Energy“, bietet eine sicherere Lösung für Anwendungen mit Hochkapazitätsbatterien.
Thermisches Durchgehen ist eine Hauptsicherheitsgefahr bei Batterien und bezeichnet einen rapiden Temperaturanstieg, der auftritt, wenn die Wärmeerzeugung die Wärmeabfuhr übersteigt, was Brände oder Explosionen verursachen kann. Herkömmliche nicht brennbare Elektrolyte verwenden oft Phosphatester oder fluorierte Verbindungen, können aber meist nur offene Flammen verhindern und thermisches Durchgehen in großen Batterien nur schwer vollständig ausschließen. Das Forschungsteam weist darauf hin, dass wirklich sichere Batterien eine umfassende Betrachtung der thermischen Stabilität des Elektrolyten, der Stabilität der Elektroden-Grenzfläche und der Wechselwirkungen zwischen den Elektroden bei hohen Temperaturen erfordern.
Die Forscher entwarfen einen polymerisierbaren, nicht brennbaren Elektrolyten, der sich von konventionellen Methoden unterscheidet, die auf Reaktionen von Zersetzungsprodukten angewiesen sind. Dieser Elektrolyt bildet bei Temperaturerhöhung automatisch eine schützende Polymerbarriere, die gefährliche Reaktionen zwischen den Elektroden blockiert und Nebenreaktionen sowie die Bildung reduktiver Gase unterdrückt. Die Studienautoren erklären: „Dieses Design erreicht nicht nur Nichtbrennbarkeit, sondern auch thermischen Selbstschutz durch in-situ-Polymerisation von Phosphorsäure, einem Zersetzungsprodukt von Triethylphosphat, das ein isolierendes Polymernetzwerk bildet, um mechanische und chemische Interferenzen zwischen Kathode und Anode bei hohen Temperaturen zu unterbrechen.“
Sicherheitstests zeigten, dass kommerziell erhältliche zylindrische Natrium-Ionen-Batterien mit diesem Elektrolyten weder bei 300 °C noch nach Nadelstichtests ein thermisches Durchgehen aufwiesen. Elektrochemische Leistungstests zeigten, dass die Batterie über einen weiten Temperaturbereich eine hohe Energiedichte und stabile Zyklenleistung beibehielt. Die Autoren schreiben: „Mit einer CNFM-Kathode und einer HC-Anode zusammen mit dem entwickelten Elektrolyten erreichte eine 3,5-Ah-Batterie bei Raumtemperatur 700 Zyklen mit einer Kapazitätserhaltung von 85,7 %; bei 60 °C waren es 700 Zyklen mit 88,1 % Kapazitätserhaltung; bei niedrigen Temperaturen von -20 °C bis -40 °C betrug die Entladekapazitätserhaltung 92,6 %, 84,5 % bzw. 64,1 %.“
Dieses neuartige Elektrolytdesign könnte die Entwicklung von Hochkapazitäts-Natriumbatterien für Anwendungen wie Netzspeicherung und Elektrofahrzeuge vorantreiben. Obwohl sich die aktuelle Forschung auf ein spezifisches Batteriechemiesystem konzentriert, könnte die Methode in Zukunft auf andere Batterietypen und praktische Anwendungsbedingungen ausgeweitet werden.
Veröffentlichungsdetails: Autor: Krystal Kasal, Phys.org; Titel: „Safer sodium battery eliminates thermal runaway with a heat-triggered polymer barrier“; Veröffentlicht in: „Nature Energy“ (2026); Zeitschrifteninfo: „Nature Energy“.
