Forscher der University of Illinois halten bei Lithium-Metall-Batterien mit einer Beschichtung aus Graphen Sauerstoffmoleküle fest und verhindern damit gefährliche Überhitzungen, die in der Vergangenheit nicht selten zu Bränden geführt haben. Hohe Temperaturen sorgen dafür, dass sich die Kathode, die meist aus Lithium-Kobalt-Oxid besteht, zersetzt. Dabei wird Sauerstoff frei. Wenn er auf brennbares Material trifft, entsteht ein Brand, im Extremfall gibt es sogar eine Explosion.

«Wir dachten, wenn wir verhindern können, dass der Sauerstoff aus der Kathode austritt, wenn diese sich zersetzt, können wir die Gefahr, dass es zu einem Brand kommt, eindämmen», sagt Reza Shahbazian-Yassar, Assistenzprofessor an der Ingenieursschule der Universität. Als perfekte Lösung erschien ihm Graphen, das oft als «Wundermaterial» des 21. Jahrhunderts gepriesen wird. Dabei handelt es sich um eine Folie, die aus bienenwabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht. Sie ist unvorstellbar dünn, nur eine einzige Atomlage dick.

Die zündende Idee hatte Soroosh Sharifi-Asl, der bei Shahbazian-Yassar ein Aufbaustudium absolviert. Er schlug vor, die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel, aus denen die Kathode gebildet wird, in Graphen einzupacken. Dann beobachteten sie die winzigen Päckchen unter dem Elektronenmikroskop und stellten fest, dass bei Erhitzung weit weniger Sauerstoffatome ausbüxten als bei nicht eingepackten Molekülen.

Im nächsten Schritt vermischten die Forscher Päckchen mit einem Bindemittel, sodass sie eine dünne zusammenhängende Kathodenfolie herstellen konnten und bauten daraus eine Batterie. Während des Ladens und Entladens stellten sie fest, dass kein Sauerstoff entwich. Der Akku erwies sich zudem als relativ haltbar. Er überstand 200 Lade- und Entladezyklen, ohne schlappzumachen. «Die Kapazität sank in dieser Zeit um 14 Prozent«, so Sharifi-Asl. Eine normale Lithium-Metall-Batterie verliere dagegen unter gleichen Bedingungen 45 Prozent.

«Graphen ist für Sauerstoff undurchlässig, elektrisch leitfähig, flexibel und stabil genug, um die Belastungen in einer Batterie auszuhalten», schwärmt Shahbazian-Yassar. Da die Folie unvorstellbar dünn sei, nehme die Masse der Batterie praktisch nicht zu, wenn die Lithium-Kobalt-Oxid-Partikel verpackt würden. «Wir haben gezeigt, dass unsere Methode die Feuergefahr massiv eindämmt», verdeutlicht der Forscher abschliessend.

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