Neue Batterie-Technologie soll Risiko von Feuer reduzieren

Da Lithium-Ionen-Batterien weiterhin den Energiespeichermarkt dominieren und alles von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen mit Strom versorgen, bleiben ihre inhärenten Sicherheitsrisiken ein dringendes Problem.

Thermisches Durchgehen, eine gefährliche Kettenreaktion, die zu Bränden und Explosionen führen kann, ist ein seit langem bestehender Mangel herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien. Erst kürzlich machte eine brennende Batterie in einem Airbus A321 von Air China Schlagzeilen. Ein Fug der chinesischen Nationalairline von Hangzhou nach Seoul musste am Samstag (18. Oktober) außerplanmäßig in Shanghai landen. Zuvor hatte eine Lithiumbatterie im Handgepäck eines Passagiers Feuer gefangen. Laut Air China entzündete sich der Akku spontan in einem Gepäckfach des Airbus A321 über den Sitzen. Die Crew reagierte umgehend und konnte den Brand nach Vorschrift löschen. Verletzt wurde niemand. Um die Sicherheit zu gewährleisten, leitete die Besatzung Flug CA139 zum Flughafen Shanghai-Pudong um.

Battery fire forced #AirChina flight #CA139 (#Hangzhou–#Incheon) to make emergency landing in #Shanghai today. ​The flight diverted to Pudong Airport after a lithium battery in overhead luggage self-ignited. No injuries reported. pic.twitter.com/nwQdEnEt6H

— Shanghai Daily (@shanghaidaily) October 18, 2025

Auf eben diesem Flughafen wurde mir Anfang dieser Woche ein eher älterer Anker Akku abgenommen, da die neue chinesische CCC Kennzeichnung fehlte. Das europäische CE Kennzeichen reicht für Inlandsflüge in China seit 28. Juni 2025 nicht mehr. Auf internationalen Flügen wird es jedoch nicht verlangt. Derzeit  gibt es offenbar nur eine einzige Powerbank, die über diese CCC-Zertifizierung verfügt, die auch größere Sicherheit verspricht.

Bahnbrechende Forschungsergebnisse aus China haben nun einen neuen Ansatz vorgestellt, der das Brand-Risiko drastisch reduziert und den Weg für sicherere und zuverlässigere Energiespeicherlösungen ebnet.

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Thermisches Durchgehen tritt auf, wenn Lithium-Ionen-Batterien physische Schäden, Überladung oder Herstellungsfehler aufweisen. KFZ-Werkstätten, die E-Autos warten, müssen deshalb eine Wanne haben, in der Akkus unter Wasser gelagert werden können. Auch Feuerwehren haben mittlerweile bei Stützpunkten große Wannen, in die offenbar brennende E-Autos zum Löschen versenkt werden können. Brennende Lithium Batterien können nur durch völligen Luftabschluss – wie eben durch Versenken in Wasser – gelöscht werden.

Eine bahnbrechende Lösung

Forscher in China haben eine „Lösungsmittel-Relais-Strategie” entwickelt, die das Verhalten von Elektrolyten unter Belastung grundlegend verändert. Es wurde eine neuartige Elektrolytzusammensetzung unter Verwendung von Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI) entwickelt. Dieses Lösungsmittel fördert die Ionenassoziation bei Raumtemperatur – notwendig für die normale Batteriefunktion –, induziert jedoch bei hohen Temperaturen eine Dissoziation und verhindert so die unkontrollierte Reaktion.

Die Studie von Yue Sun et al mit dem Titel „Designing safe and long-life lithium-ion batteries via a solvent-relay strategy“ (Entwicklung sicherer und langlebiger Lithium-Ionen-Batterien mittels einer Lösungsmittel-Relais-Strategie) wurde in Nature Energy veröffentliccht.

In strengen Nageldurchdringungstests, einer Standard-Sicherheitsbewertung für Lithium-Ionen-Batterien, zeigte das neue Design eine bemerkenswerte Stabilität. Während herkömmliche Batterien bei Temperaturanstiegen von 555,2 °C (1031,4 °F) explodierten, stieg die Temperatur der modifizierten Zellen nur um 3,5 °C (38,300 °F).

„Dieser Ansatz ermöglichte 4,5-V-Graphit-NCM811-Pouch-Zellen, die eine außergewöhnliche Lebensdauer von 4.100 Stunden mit einer Kapazitätserhaltung von etwa 81,9 Prozent aufwiesen“, berichteten die Autoren der Studie.

Parallele Forschungen haben sich mit dem Ersatz traditioneller Carbonatlösungsmittel durch phosphatreiche, fluorierte Organophosphat-Elektrolyte befasst. Diese Alternativen wirken als eingebaute Flammschutzmittel und setzen Radikale frei, die die Verbrennung bei hohen Temperaturen unterdrücken.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Selbstlöschende Eigenschaften (keine anhaltende Flamme in offenen Bechertests)

• Hohe thermische Stabilität (exotherme Reaktionen beginnen oberhalb von 220 °C/428,00 °F)

• Kompatibilität mit Hochenergiekathoden (bis zu 4,6 V)

In Nageldurchdringungstests vermieden diese modifizierten Zellen nicht nur Brände, sondern behielten auch ihre strukturelle Integrität bei, was ihr Potenzial für reale Anwendungen unter Beweis stellte.

Herausforderungen und Kompromisse

Trotz dieser Fortschritte bleiben einige Hürden bestehen:

• Lebensdauer: Neue Elektrolyte weisen nach 500 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von 92 Prozent auf, was etwas unter dem Wert herkömmlicher Zellen liegt.

• Leistung bei niedrigen Temperaturen: Die Leitfähigkeit sinkt unter -10 °C und muss daher weiter optimiert werden.

• Kosten: Elektrolyte auf Phosphatbasis sind zwei- bis dreimal so teuer, können jedoch mit der bestehenden Fertigungsinfrastruktur skaliert werden.

Bei einer Kommerzialisierung könnten diese Innovationen Folgendes bewirken:

• Reduzierung der Brandschutzanforderungen in der Unterhaltungselektronik, wodurch schlankere Designs möglich werden.

• Vereinfachung des Wärmemanagements in Elektrofahrzeugen, wodurch das Gewicht des Akkus um drei bis fünf Prozent reduziert wird.

• Erfüllung strengerer Sicherheitsvorschriften für den Luft- und Seeverkehr.

Bis 2027 werden Qualifizierungstests für den Automobilbereich erwartet, wobei Hybridarchitekturen mit Festkörper-Zwischenschichten und nicht brennbaren Flüssigkeiten in Aussicht stehen.

Die neuesten Durchbrüche markieren einen Wendepunkt in der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien. Durch die Umwandlung von Elektrolyten von einer Brandgefahr in eine stabilisierende Kraft haben Forscher eines der größten Risiken gemindert, das die Energiespeichertechnologie bisher zurückgehalten hat. Zwar bestehen weiterhin Herausforderungen in Bezug auf Kosten und Leistung, doch die Möglichkeit, eine Batterie zu durchstechen, ohne einen Brand auszulösen, ist ein gewaltiger Fortschritt – einer, der die Sicherheitsstandards in allen Branchen neu definieren könnte.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien sorgen diese Innovationen dafür, dass die nächste Generation der Energiespeicherung sicherer, effizienter und zuverlässiger als je zuvor sein wird.

Hier noch die Zusammenfassung aus der Studie:

Die Ionenassoziation in hochkonzentrierten Elektrolyten und lokalisierten hochkonzentrierten Elektrolyten erleichtert die Bildung einer Festelektrolyt-Zwischenschicht, beeinträchtigt jedoch die thermische Stabilität. Wir haben hier das thermische Verhalten von 20 Elektrolyten untersucht und festgestellt, dass die Ionenassoziation die exotherme Anfangstemperatur um ~94 °C senkt. Um die thermische Stabilität zu verbessern, ohne die Bildung einer Festelektrolyt-Zwischenschicht zu beeinträchtigen, haben wir eine Lösungsmittel-Relay-Strategie entwickelt, die die Ionenassoziation bei Umgebungstemperatur fördert und gleichzeitig bei erhöhten Temperaturen eine Dissoziation induziert. Dieser Ansatz ermöglichte es 4,5-V-Graphit-NCM811-Beutelzellen (1,1 Ah), 1.000 Zyklen unter 0,45 C über 4.100 Stunden mit einer Kapazitätserhaltung von ~81,9 % und außergewöhnlicher thermischer Sicherheit zu liefern, wobei der Temperaturanstieg während der Nagelpenetration weniger als 3,5 °C betrug, verglichen mit 555,2 °C bei handelsüblichen Elektrolyten auf Carbonatbasis. Diese Ergebnisse verdeutlichen die entscheidende Rolle der Ionenassoziation beim thermischen Durchgehen und bieten eine praktikable Strategie, um gleichzeitig eine lange Lebensdauer, einen Hochspannungsbetrieb und eine verbesserte Sicherheit in Lithium-Ionen-Batterien im Amperestundenbereich zu erreichen.

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