Ein Team am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien beschrieben einen Mechanismus, der Kurzschlüsse in Festkörper-Batterien erklären soll. Im Zentrum steht die Frage, wie mikroskopisch kleine Lithium-Auswüchse, sogenannte Dendriten, beim Laden Risse verursachen und so einen Kurzschluss im Inneren der Batterie auslösen.
Festkörper-Batterien gelten als vielversprechende Technologie für Smartphones, Elektrofahrzeuge und tragbare Geräte. Sie arbeiten mit festen Elektrolyten statt mit flüssigen und könnten Batterien ermöglichen, die länger leben, sicherer sind und mehr Energie speichern können. Für Elektroautos werden zudem höhere Reichweiten erwartet.
Bislang werden in den meisten elektronischen Geräten Lithium-Ionen-Batterien verwendet, bei denen zwei feste Elektroden durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind. Bei Festkörper-Batterien ersetzen feste Elektrolyte diese Lösung. Trotz der genannten Vorteile werden sie bisher nicht kommerziell genutzt, weil sich beim Aufladen Dendriten aus Lithium bilden können, die vom Minuspol durch den festen Elektrolyten bis zum Pluspol wachsen und damit einen Kurzschluss verursachen.
Das Forscher-Team untersuchte zwei Erklärungsansätze für dieses Verhalten. „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“, so Yuwei Zhang. „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.“
Für die Prüfung nutzten die Forscher ein experimentelles Setup unter Vakuum und bei kryogenen Temperaturen. So sollten Einflüsse von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope ausgeschlossen werden. Die Analyse ergab, dass sich vor den Dendritenspitzen kein zusätzliches Lithium ansammelt.
Zhang erklärt den Befund so: „Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten, wie ein konstanter Wasserstrahl auch Stein durchbrechen kann.“ Den Berechnungen zufolge erzeugt hydrostatischer Druck innerhalb der Dendriten Zugspannungen im keramischen Elektrolyten und führt so zu Rissen. Simulationen und Messungen mithilfe von Elektronenrückstreubeugung bestätigten dieses Ergebnis.
Auf dieser Grundlage arbeitet das Team an Strategien, um die Rissbildung zu verhindern oder zu verzögern. Genannt werden eine höhere Festigkeit des Elektrolyten, mikroskopisch kleine Hohlräume zur Umlenkung des Dendritenwachstums sowie Schutzbeschichtungen auf den Lithiumelektroden, um die Dendritenbildung zu unterdrücken. Das Ziel der Forscher ist, Festkörper-Batterien aus dem Labor in die industrielle Anwendung zu überführen und so den Weg für leistungsfähigere und sicherere Energiespeicher zu ebnen.
David meint
Das ist genau das Problem, warum es noch keine Festkörper Batterien in unserem PKW gibt. Dabei hieß es ja eigentlich, dass gerade die Festkörperbatterien stabiler sind und etwas wie Kurzschlüsse nicht mehr passieren kann. Das ist nur eines der Probleme, die bewirken, dass man seit zehn Jahren von Festkörper Batterien spricht und noch immer keine irgendwo eingebaut ist. Wenn man zum Beispiel weiß, dass Toyota seinen großen Eintritt in die Elektromobilität eng damit verknüpft hat, wird man nicht mehr allzuviele Monate Zeit haben, auf ein Wunder zu warten.