Smartphones, Elektrofahrzeuge und viele tragbare Geräte sind auf Batterien angewiesen. Deren Energiespeicherkapazität, Lebensdauer und Sicherheit prägen maßgeblich die Zukunft der Elektrifizierung. Zu den vielversprechendsten Technologien zählen Festkörper-Batterien. Diese Batterien könnten es ermöglichen, dass Smartphones nach mehreren Tagen, anstatt täglich, aufgeladen werden und Elektrofahrzeuge eine dreimal so hohe Reichweite erzielen wie aktuelle Modelle.
Dendriten-Wachstum: Vorgang war bisher unklar
In den meisten elektronischen Geräte sind heutzutage Lithium-Ionen-Batterien verbaut. Diese bestehen aus zwei festen Elektroden, die von einem flüssigen Elektrolyten getrennt werden. In Festkörper-Batterien kommen feste Elektrolyte zum Einsatz. Dieses Design ermöglicht Batterien, die länger leben, sicherer sind und mehr Energie speichern können. Trotz der vielen Vorteile, werden Festkörper-Batterien noch nicht kommerziell genutzt, weil sich beim Aufladen mikroskopisch kleine Auswüchse aus Lithium bilden können, sogenannte Dendriten. Diese winzigen baumartigen Strukturen wachsen vom Minuspol aus (Anode), durchdringen den festen Elektrolyten und reichen bis zum Pluspol (Kathode) und verursachen damit einen Kurzschluss im Inneren der Batterie. Bisher war unklar wie dieser Vorgang genau abläuft.
Ein interdisziplinäres Team am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) konnte nun erklären wie diese Dendriten Risse verursachen und zu Kurzschlüssen führen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Wissenschaftsjournal Nature.
Wie entstehen Risse in Festkörper-Batterien?
Die durch Dendriten verursachten Risse in Festkörper-Batterien sind ein kontraintuitives Phänomen. „Obwohl die Elektroden und die sich bildenden Dendriten aus Lithiummetall bestehen, das weich wie Gummibärchen ist, sind die Dendriten in der Lage, den harten, keramischen Elektrolyten zu durchdringen", sagt Dr. Yuwei Zhang, Erstautor der neuen Publikation und Forschungsgruppenleiter am MPI-SusMat. „Es gibt zwei Hypothesen, die versuchen dieses Phänomen zu erklären: Entweder es baut sich eine innere Spannung in den Dendriten auf, die Risse im festen Elektrolyten verursacht. Oder Elektronen bewegen sich entlang der Korngrenzen im Elektrolyten und fördern dort die Bildung von Lithiumkeimen, die sich später miteinander verbinden.“
Um diese Hypothesen zu prüfen, nutzten die Forschenden ein aufwendiges experimentelles Setup. Die Proben wurden unter Vakuum und bei kryogenen Temperaturen hergestellt und untersucht, um Einflüsse von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope auszuschließen. Die Analyse zeigte: Vor der Spitze der Dendriten sammelt sich kein zusätzliches Lithium an. „Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten, wie ein konstanter Wasserstrahl auch Stein durchbrechen kann. Unsere Berechnungen zeigen, dass hydrostatischer Druck innerhalb der Dendrite, Zugspannungen im keramischen Elektrolyten erzeugt und zu Rissen führt“, erklärt Zhang. Simulationen und Messungen mit Hilfe von Elektronenrückstreubeugung bestätigten das Ergebnis.
Wege zur Kurzschluss-Vermeidung
Auf Basis dieser Erkenntnisse arbeitet das Max-Planck-Team nun an Strategien, um die Rissbildung zu verhindern oder zumindest zu verzögern. Mögliche Ansätze umfassen die Erhöhung der Festigkeit des Elektrolyten, um die Rissbildung zu stoppen beziehungsweise zu verlangsamen, das Einbringen mikroskopisch kleiner Hohlräume, die das Dendritenwachstum umlenken, oder das Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf die Lithiumelektroden, um die Dendritenbildung zu unterdrücken.
Diese Ergebnisse zeigen, wie entscheidend ein grundlegendes Verständnis von Materialverhalten ist. Nur so lassen sich vielversprechende Technologien wie Festkörperbatterien aus dem Labor in die industrielle Anwendung überführen und damit den Weg für leistungsfähigere und sicherere Energiespeicher ebnen.
