Lithium-Dendriten Wildwuchs im Batteriekern – Forscher zeigen das Innere von Energiespeichern

Wenn die Lithium-Batterie vorzeitig den Geist aufgibt oder gar explodiert kann dies an winzigen Verästelungen im Inneren liegen. Wie diese so genannten Dendriten heranwachsen, welche Formen sie annehmen und wie sie ausgebremst werden können, haben Helmholtz-Forscher mit detaillierten 3D-Aufnahmen untersucht.

Berlin – Sie sprießen in Lithium-Batterien wie Unkraut im Garten: Dendriten. Diese kleinen Nadeln oder Bäumchen gleichen den verästelten Fortsätzen unserer Nervenzellen, von denen sie ihren Namen erhalten haben. Sie entstehen in der Batterie, wenn die Ionen des Alkalimetalls beim Laden und Entladen zwischen Plus- und Minuspol hin und herwandern und auf winzige Kristallisationskeime treffen. Mit jedem Lade-/Entladezyklus wachsen sie und schließen irgendwann die Batterie kurz. Die wird dadurch zerstört – in manchen Fällen sogar mit einer Explosion.

Noch ist nicht klar, wie sich diese Gefahr bannen und die Lebensdauer der Energiespeicher erhöhen lässt. Denn wie genau die Dendriten entstehen und wachsen, ist bis heute nicht vollständig verstanden.

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3D-Bilder von kleinen Kugeln und fraktalen Dendriten

Um das Geheimnis von Keimbildung und Wachstum im Lithium zu lüften, hat eine Forschergruppe einen Blick ins Innere der Batterie geworfen und dafür zwei besondere Untersuchungsmethoden am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) genutzt. „Während herkömmliche Untersuchungen mit Raster- oder Transmissionselektronenmikroskopen in der Regel ein zweidimensionales Bild liefern, dringen wir mit der fokussierten Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie in die dritte Dimension vor“, erklärt Kang Dong, Post-Doc in der Arbeitsgruppe von Dr. Ingo Manke am HZB-Institut für Angewandte Materialforschung.

„Außerdem verwenden wir die kryogene Transmissionselektronenmikroskopie der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Yan Lu am HZB. Durch die tiefen Temperaturen werden die Schäden, die der Elektronenstrahl an unseren Proben anrichtet, auf ein Minimum reduziert und wir erhalten eine naturnahe Auflösung von Struktur und Chemie der Lithium-Ablagerungen im Nanometerbereich.“

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Damit gelang den Forschern ein detailgetreuer, hochaufgelöster Einblick in die innere Struktur der Lithium-Ablagerungen. „Wir fanden heraus, dass die Dendriten sehr unterschiedliche Strukturen haben, die stark von den lokalen Stromdichten abhängen“, sagt Gruppenleiter Manke. „Bei niedrigen Strömen sehen sie wie kleine Kugeln aus, die sich mit der Zeit zusammenballen. Bei höheren Strömen ähneln sie eher moosartigen und fraktalen Dendriten.“ Bei ihren Versuchen dokumentierten die Wissenschaftler die verschiedenen Entwicklungsstadien „Lithium-Bälle“ und „Lithium-Whiskers“, die eher Barthaaren gleichen. Um zu verstehen, welche Mechanismen bei der Ablagerung wirken, helfen die erstellten dreidimensionalen Bilder.

Ansatzpunkte für langlebigere Batterien

Bei ihrer Studie haben die Forscher nicht nur Geheimnisse der verschiedenen Wachstumsformen und ihrer ausgebildeten Gestalt aufgedeckt. „Wir haben auch festgestellt, dass die Dendriten immer an bestimmten Verunreinigungen oder strukturelle Inhomogenitäten auf der Lithium-Oberfläche beginnen“, sagt Manke. Wie das Lithium genau mit der Zwischenschicht im Inneren der Batterie reagiert, sei bisher noch nicht vollständig verstanden, ergänzt Mankes Mitarbeiter Dong.

In ihrer Publikation schlagen die Wissenschaftler bereits vor, wie die Forschung weitergehen könnte: „Wir denken, dass die Optimierung der Elektrolyte und das Engineering der Oberflächen wichtige Ansatzpunkte sind, um die Lithium-Ablagerungen eher kugelförmig und amorph zu halten. Damit könnte sich das Wachstum der verästelten Dendriten verhindern lassen, sodass sich die Zyklenstabilität der Batterien verbessert.“

Originalpublikation: Kang Dong, Yaolin Xu, Jinwang Tan, Markus Osenberg, Fu Sun, Zdravko Kochovski, Duong Tung Pham, Shilin Mei, André Hilger, Emily Ryan, Yan Lu, John Banhart, and Ingo Manke: Unravelling the Mechanism of Lithium Nucleation and Growth and the Interaction with the Solid Electrolyte Interface, ACS Energy Lett. 2021, 6, 5, 1719–1728, Publication Date:April 7, 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00551

* K. Dürfeld, Freiberuflicher Wissenschaftsjournalist, 04779 Wermsdorf

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