Kleinere, leichtere Batterien: Ingenieure lösen ein langjähriges Problem
Verzweigte Metallfäden beeinträchtigen die Leistung von Lithium-Festkörperbatterien. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben herausgefunden, wie diese sogenannten dentritischen Strukturen entstehen – und wie sie sich vermeiden lassen.
Mechanischer Druck lenkt die Bildung von Dendriten – und hilft, Kurzschlüsse in Batterien zu vermeiden.
Foto: MIT
Eine Entdeckung könnte endlich die Tür zur Entwicklung einer neuen Art von wiederaufladbaren Lithiumbatterien öffnen, die leichter, kompakter und sicherer sind als die derzeitigen Versionen. Denn Forschende am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge beheben eine zentrale Schwachstelle: Normalerweise bilden sich Metallfäden, sogenannte Dendriten. Sie überbrücken den Raum zwischen den Metallelektroden, was schlimmstenfalls zu Kurzschlüssen führen kann.
Die Ingenieurinnen und Ingenieure fanden heraus, dass das Anlegen von mechanischem Druck auf das feste Elektrolytmaterial Dendriten dazu bringt, sich nicht mehr von einer Elektrode zur anderen zu bewegen, sondern seitwärts in Richtung der Kraft zu wandern – ohne dass Kurzschlüsse drohen.
Effizientere Batterien bald marktreif?
Dendriten in Batterien stören die Funktion
Zum Hintergrund: Der Schlüssel zu potenziell effizienteren, langlebigeren Batterien besteht darin, den flüssigen Elektrolyten, der sich zwischen der positiven und negativen Elektrode befindet, durch eine viel dünnere und leichtere Schicht aus festem Keramikmaterial und eine der Elektroden durch festes Lithiummetall zu ersetzen. Dies würde die Gesamtgröße und das Gewicht der Batterie erheblich verringern und das mit flüssigen Elektrolyten verbundene Sicherheitsrisiko beseitigen, da diese entflammbar sind. Bei dieser innovativen Strategie gab es jedoch ein großes Problem: Dendriten.
Ihr Name leitet vom lateinischen Wort für Äste ab; es sind feine Strukturen aus Metall, die sich auf der Lithiumoberfläche ablagern und in den Festelektrolyten eindringen können. Bisher wussten Forscherinnen und Forscher nicht so recht, wie diese Metallfäden entstehen. Unklar war auch, wie man sie verhindern und damit leichte Festkörperbatterien zu einer praktischen Option machen kann.
Überraschende Resultate eines Experiments
Ming Chiang vom MIT hat – wie er berichtet – bei früheren Arbeiten eine „überraschende und unerwartete“ Entdeckung gemacht: Hartes, festes Elektrolytmaterial, das für eine Festkörperbatterie verwendet wird, kann während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie von Lithium, einem sehr weichen Metall, durchdrungen werden. Lithiumionen bewegen sich zwischen den beiden Seiten der Batterie.
Durch dieses Hin- und Herpendeln der Ionen verändert sich das Volumen der Elektroden. Dies führt unweigerlich zu mechanischen Spannungen im Festelektrolyten, der mit beiden Elektroden vollständig in Kontakt bleiben muss. „Um das Metall abzuscheiden, muss sich das Volumen ausdehnen, weil man neue Masse hinzufügt“, sagt Chiang. „Auf der Seite der Zelle, auf der das Lithium abgeschieden wird, vergrößert sich also das Volumen. Und wenn auch nur mikroskopisch kleine Fehler vorhanden sind, erzeugt dies einen Druck auf diese Fehler, der zu Rissen führen kann.“ Diese Spannungen, so hat das Team nun gezeigt, verursachen Risse, und Dendriten entstehen.
Während einige Forscherinnen und Forscher bisher davon ausgegangen sind, dass sich Dendriten durch einen rein elektrochemischen und nicht durch einen mechanischen Prozess bilden, zeigen die Experimente des MIT-Teams, dass es mechanische Spannungen sind, die das Problem verursachen.
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Mit der richtigen Kraft bei Batterien gegen Dendriten vorgehen
Nur was lässt sich dagegen tun? Der Prozess der Dendritenbildung findet normalerweise tief im Inneren der undurchsichtigen Materialien der Batteriezelle statt und kann nicht direkt beobachtet werden. Daher entwickelte das Team eine Methode zur Herstellung dünner Zellen mit transparenten Elektrolyten. Ihr Ziel war, alle Teilschritte zu beobachten und aufzuzeichnen. „Man kann sehen, was passiert, wenn man das System zusammendrückt, und man kann sehen, ob sich die Dendriten in einer Weise verhalten, die einem Korrosionsprozess oder einem Bruchprozess entspricht“, berichtet Cole Fincher vom MIT.
Das Team hat gezeigt, dass es das Wachstum der Dendriten direkt beeinflussen kann, indem es einfach Druck ausübt und wieder wegnimmt, wodurch die Dendriten in perfekter Ausrichtung mit der Richtung der Kraft zickzackförmig laufen.
Durch die Anwendung mechanischer Spannungen auf den Festelektrolyten wird die Bildung von Dendriten nicht verhindert, aber die Richtung ihres Wachstums wird gesteuert. Das heißt, sie können so ausgerichtet werden, dass sie parallel zu den beiden Elektroden bleiben und nicht auf die andere Seite übertreten können. Sprich: Es treten keine Kurzschlüsse auf.
Batterie ohne Dendriten – so geht es weiter
Nachdem die Forschenden grundlegenden Prinzipien demonstriert haben, wollen sie jetzt einen funktionalen Batterieprototyp entwickeln. Obwohl sie ein Patent angemeldet haben, planen die MIT-Ingenieurinnen und -Ingenieure nicht, das System selbst zu vermarkten, da es bereits Unternehmen gibt, die an der Entwicklung von Festkörperbatterien arbeiten.
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