Längere Lebensdauer für Feststoffbatterien

Lithiumdendrite brechen feste Elektrolyte wie Wasser Felsgestein – eine andere Konstruktion könnte das verhindern

Auf den Punkt gebracht:

• Leistungsfähigere Batterien: Festkörper-Batterien könnten mehr Energie speichern und sicherer sein als die weitverbreiteten Lithium-Ionen-Batterien,  sie erreichen derzeit aber oft nicht die notwendige Lebensdauer.
• Schädliche Metallbäume: Beim Laden wachsen in der Batteriezelle feine, baumartige Auswüchse aus Lithium, sogenannte Dendrite, die den festen Elektrolyten mit der Zeit durchdringen und zu Kurzschlüssen führen.
• Druck des weichen Metalls: Die Dendrite durchdringen den festen Elektrolyt, weil sich in vorhandenen Rissen Lithium abscheidet und einen Druck ausübt, der weitere Risse erzeugt. Durch diese wachsen die Metallbäume, bis es zu einem Kurzschluss kommt.
• Schutz vor Kurzschlüssen: Festeres Elektrolytmaterial, Umleitungen für die Dendrite und Schutzschichten auf der Lithiumelektrode könnten die Lebensdauer von Feststoffbatterien verlängern.

Sie gelten als Batterien der nächsten Generation: Feststoffbatterien versprechen eine höhere Speicherkapazität, noch mehr Sicherheit und theoretisch auch eine längere Lebensdauer. So könnten sie Elektrofahrzeugen zu einer deutlich größeren Reichweite verhelfen, als sie aktuelle Modelle erzielen.

In Elektroautos, stationären Stromspeichern, aber auch elektronischen Geräten wie Smartphones sind heutzutage Lithium-Ionen-Batterien verbaut. Diese bestehen aus zwei festen Elektrodenzwischen denen die Lithiumionen durch einen flüssigen Elektrolyten wandern. In Feststoffbatterien, die auf Festkörperbatterien kommen dagegen feste Elektrolyte zum Einsatz. Trotz ihrer Vorteile werden Feststoffbatterien noch nicht kommerziell genutzt, weil sich beim Aufladen mikroskopisch kleine Auswüchse aus Lithium bilden können, sogenannte Dendriten. Diese winzigen baumartigen Strukturen wachsen vom Minuspol, einer Elektrode aus Lithiummetall, aus durch den festen Elektrolyten bis zum Pluspol und verursachen so einen Kurzschluss in der Batterie. Bisher war unklar wie dieser Vorgang genau abläuft.

Ein Team am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien erklärt nun, wie Dendrite sich ihren Weg durch den festen Elektrolyten bahnen. Sie haben ihre Ergebnisse im Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht.

Weiches Metall im harten Elektrolyten

Dendrite in Feststoffbatterien sind ein kontraintuitives Phänomen. „Obwohl die Elektroden die Dendrite aus Lithiummetall bestehen, das weich wie Gummibärchen ist, können sie den harten, keramischen Elektrolyten durchdringen", sagt Yuwei Zhang, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien. Es gibt zwei Hypothesen, die versuchen das Wachstum von Dendriten zu erklären: Entweder es baut sich in den Dendriten Druck auf, die Risse im festen Elektrolyten verursacht. Oder Elektronen bewegen sich zwischen den winzigen Kriställchen, aus denen der keramische Elektrolyt besteht, und fördern an diesen sogenannten Korngrenzen 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 sehr tiefen Temperaturen hergestellt und untersucht, um Einflüsse von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope auszuschließen.

Druck im Lithiummetall sprengt Risse in den Elektrolyten

Die experimentelle Analyse, die das Team durch Berechnungen ergänzte, zeigte: Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten, weil sich in einem Dendriten, der in einem Riss eingeschlossen ist, ein Druck aufbaut. Dieser erzeugt im keramischen Elektrolyten Spannungen, die sich durch die Bildung von Rissen entladen. Durch diese wächst der Dendrit dann weiter. Die Bildung der Metallbäume ähnelt also dem Prozess, wenn Wasser in Felsritzen gepresst wird und das Gestein aufbricht. Für die Hypothese, dass sich an den Korngrenzen Lithiuminseln bilden und nachträglich zusammenwachsen, fanden die Forschenden dagegen keinen Beleg. Denn vor der Spitze der Dendriten fanden sie unter den Bedingungen des praktischen Batteriebetriebs keine Abscheidungen von metallischen Lithium.

Wie sich Kurzschlüsse in Feststoffbatterien vermeiden lassen

Nun untersucht das Max-Planck-Team, wie Lithiumdendrite am Anfang ihrer Entstehung in den festen Elektrolyt eindringen, ehe sie sich gewissermaßen den Weg durch das Material freisprengen. Zudem arbeiten die Forschenden auf Basis der aktuellen Erkenntnisse daran, die Rissbildung zu verhindern oder zumindest zu verzögern. So könnten es etwa festere Elektrolytkeramiken dem Lithium erschweren, Risse in das Material zu sprengen. Winzige Kanäle, die absichtlich in die Keramik eingebracht werden, könnten die wachsenden Lithiumdendrite zudem umlenken, sodass sie nicht an Pluspol gelangen und keinen Kurzschluss verursachen können. Schließlich könnten Schutzbeschichtungen auf den Lithiumelektroden die Dendritenbildung unterdrücken.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie entscheidend ein grundlegendes Verständnis von Materialverhalten ist“, sagt Yuwei Zhang. „Nur so lassen sich vielversprechende Enwicklungen wie Festkörperbatterien aus dem Labor in die industrielle Anwendung überführen und damit der Weg für leistungsfähigere und sicherere Energiespeicher ebnen.“

YAS/PH