Festkörperbatterien Wie Tropfsteine aus Lithium? – was die Batterie zum Kurzschluss bringt

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Die Zukunft der Batterietechnik liegt für viele Experten in Festkörperbatterien. Sie sind für Anwendungen in Smartphones und E-Autos sicherer, doch die Langlebigkeit bereitet noch Probleme: Es bilden sich mit der Zeit „Äste“ aus metallischem Lithium, die irgendwann zum Kurzschluss führen. Diese so genannten Lithium-Dendriten haben Forscher nun mikroskopisch näher untersucht.

Ob im E-Auto, im Handy oder im Akkuschrauber: Viele täglich genutzte Geräte nutzen inzwischen wieder aufladbare Batterien, die üblicherweise einen flüssigen Kern besitzen. Dies hat in der Vergangenheit zum Teil zu Unfällen geführt, bei der beschädigte Batterien ausgelaufen und in seltenen Fällen sogar in Brand geraten sind. Moderne kommerzielle Lithium-Ionen-Akkus sind schließlich vergleichsweise empfindlich, was mechanische Beanspruchung betrifft.

Mehr Sicherheit können so genannte Festkörper-Akkus bringen. Diese enthalten keinen flüssigen Kern (Elektrolyten) mehr, sondern bestehen durch und durch aus festem Material, z. B. aus keramischen Ionenleitern. Die Folge: Sie sind mechanisch belastbar, nicht entflammbar, einfach miniaturisierbar und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.

Doch Festkörper-Akkus zeigen ihre Probleme nach mehreren Lade- und Entladezyklen: Sind am Anfang der Plus- und Minus-Pol der Batterie noch elektrisch voneinander getrennt, werden diese durch batterieinterne Prozesse irgendwann elektrisch miteinander verbunden: Im Akku bilden sich langsam Lithium-Dendriten. Diese „Äste“ aus elektrisch leitendem Lithium wachsen Schritt für Schritt bei jedem Ladevorgang, bis die beiden Pole verbunden sind. Das Resultat: Der Akku ist kurzgeschlossen und „stirbt“. Bisher sind die genauen physikalischen Vorgänge, die dabei vonstattengehen, jedoch noch nicht genau verstanden.

Die Batterie als Tropfsteinhöhle?

Ein Team geleitet von Rüdiger Berger aus dem Arbeitskreis von Hans-Jürgen Butt am Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat sich den Festkörperakkus nun angenommen und mit einer speziellen Mikroskopiemethode die Vorgänge bei der Entstehung der Lithium-Dendriten näher untersucht. Sie gingen der Frage nach, wo die Dendriten anfangen zu wachsen. Ist es wie in einer Tropfsteinhöhle, wo Stalaktiten von der Decke und Stalakmiten vom Boden wachsen, bis sie sich in der Mitte verbinden und einen so genannten Stalagnat bilden? Wachsen sie in der Batterie also vom Minus- zum Pluspol, vom Plus- zum Minuspol, oder von beiden Polen gleichmäßig? Oder gibt es besondere Stellen in der Batterie, die zu einer Keimbildung und von dort aus zu einem dendritischen Wachstum führen?

Bergers Team hat sich hierbei insbesondere so genannte Korngrenzen in keramischen Festkörperelektrolyten angesehen. Diese Grenzen entstehen bei der Herstellung der festen Schicht: Die Atome in den Kristallen der Keramik sind grundsätzlich sehr regelmäßig angeordnet. Durch kleine, zufällige Fluktuationen beim Kristallwachstum entstehen jedoch linienartige Gebilde, an denen die Atome unregelmäßig angeordnet sind – eine Korngrenze.

Diese Korngrenzen sind mit der Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie sichtbar, bei der die Oberfläche mit einer scharfen Spitze abgerastert wird. „Wenn die Festkörperbatterie aufgeladen wird, sieht man mit der Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie, dass sich Elektronen entlang der Korngrenzen ansammeln – besonders in der Nähe des Minuspols“, sagt Chao Zhu, ein Doktorand, der mit Berger zusammenarbeitet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich durch die Korngrenze nicht nur die Anordnung der Atome der Keramik, sondern auch deren elektronische Struktur verändert.

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Einseitiges Dendriten-Wachstum

Aufgrund der Ansammlung von Elektronen am Minuspol können positiv geladene Lithium-Ionen, die im Festelektrolyten unterwegs sind, zu metallischem Lithium reduziert werden. Die Folge: Lithium setzt sich fest, es bildet sich ein Lithium-Dendrit. Wird der Ladevorgang erneut ausgeführt, kann der Dendrit immer weiter wachsen, bis schließlich die Pole der Batterie verbunden werden. Die Bildung eines solchen Dendrits wurde daher – da eine erhöhte Elektronendichte hauptsächlich am Minuspol beobachtet wurde – auch nur an diesem beobachtet. Am gegenüberliegenden Pluspol wurde kein Wachstum festgestellt. Die Lithium-Dendriten wachsen also vom Minus- zum Pluspol.

Die Wissenschaftler hoffen, mit einem genauen Verständnis der Wachstumsvorgänge auch effektive Wege entwickeln zu können, die das Wachstum am Minuspol verhindern oder zumindest eindämmen, um so in Zukunft die sichereren Lithium-Festkörperbatterien auch breitbandig zur Anwendung bringen zu können. (clu)

Originalpublikation: Zhu, C., Fuchs, T., Weber, S.A.L. et al.: Understanding the evolution of lithium dendrites at Li6.25Al0.25La3Zr2O12 grain boundaries via operando microscopy techniques, Nat Commun 14, 1300 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-36792-7

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