Zinnschicht soll Explosion von Lithium-Ionen-Batterien verhindern
Lithium-Ionen-Batterien sind anfällig für Kurzschlüsse. Dendriten sind die Hauptursache. Forschende haben einen vielversprechenden Weg gefunden, die Bildung von Dendriten zu verhindern.
Kurzschlüsse können dafür sorgen, dass Lithium-Ionen-Akkus explodieren oder in Flammen aufgeben, eine Zinnschicht könnte das künftig verhindern.
Foto: PantherMedia / MVolodymyr
Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie finden sich in Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen. Ihre Vorteile liegen auf der Hand: schnelle Ladezeiten, hohe Energiedichte und lange Lebensdauer. Doch trotz dieser positiven Eigenschaften gibt es einen gravierenden Nachteil: die Gefahr von Kurzschlüssen. Mithilfe einer Zinnschicht könnte die Gefahr von Kurzschlüssen und Explosionen bei Lithium-Ionen-Batterien künftig gebannt werden.
So entstehen Dendriten in Lithium-Ionen-Akkus
Brennende E-Autos und rauchende Smartphones – oft sind winzige Kristallstrukturen, bekannt als Dendriten, die Ursache dafür. Diese Strukturen ähneln in ihrem Aussehen einem Baum, was auch durch ihren Namen deutlich wird: „Dendrit“ stammt vom altgriechischen Wort „déndron“ für Baum.
Dendriten entstehen bei der Kristallisation von Materialien als verzweigte Strukturen, beispielsweise in metallischen Legierungen oder an Lithium-Metall-Anoden in Lithium-Ionen-Batterien. Bei Letzteren können Dendriten so stark wachsen, dass sie die Separator-Membran – eine dünne Schicht, die die Elektroden voneinander trennt – durchdringen. Dies kann zu einem Kurzschluss oder zur Zerstörung der Batterie führen.
Dünne Zinnschicht soll Dendrite verhindern
Ein Forschungsteam der University of Alberta (UAlberta) hat nun einen vielversprechenden Weg gefunden, die Bildung dieser Dendriten zu verhindern. Mit Unterstützung der Canadian Light Source (CLS) an der University of Saskatchewan (USask) fanden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heraus, dass eine dünne Zinnschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt die gleichmäßige Verteilung des Lithiums fördert. Diese gleichmäßige Verteilung sorgt für eine glatte Oberfläche und verhindert so das Wachstum der gefährlichen Dendriten.
Die CLS ist eine der weltweit leistungsstärksten Röntgenquellen für die Materialforschung. Mit ihrer Hilfe konnten die Forscher genau beobachten, wie sich die Zinnschicht auf die Lithiumoberfläche einer funktionierenden Batterie auswirkt. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces veröffentlicht.
Zinnschicht hat noch weitere Vorteile
Die Untersuchungen zeigten nicht nur, dass die Zinnschicht die Bildung von Dendriten unterdrückt, sondern auch, dass Batterien mit dieser Schicht höhere Ströme vertragen und eine längere Lebensdauer haben. Das bedeutet, dass solche Batterien mehr Lade- und Entladezyklen ohne Leistungsverlust überstehen.
Lingzi Sang, Assistenzprofessorin an der Fakultät für Naturwissenschaften (Chemie) der Universität Alberta, betont die Bedeutung der CLS für diese Entdeckung: „Die HXMA-Beamline ermöglichte uns einen einzigartigen Einblick in die strukturellen Veränderungen der Lithiumoberfläche während des Betriebs“, sagte Sang. „Als Chemiker war es faszinierend, die genaue Struktur der Zinnschicht zu beobachten, die wir aufgetragen haben. Diese Schicht kann das Wachstum von Dendriten verhindern und damit das Kurzschlussproblem lösen.“
Weg in die Batterieproduktion
Bei der aktuellen Studie wurden die Dendriten bei Festkörperbatterien untersucht. In einer weiteren Studie zeigte das Team, dass eine Schutzschicht aus Zinn auch in Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt das Dendritenwachstum wirksam verhindern kann. Diese Methode eröffnet ein erhebliches Potenzial für industrielle Anwendungen.
Als Nächstes wollen die Forschenden einen nachhaltigen und kostengünstigen Weg finden, diese Zinnschicht während der Batterieproduktion aufzubringen. Gelingt dies, könnte dies einen großen Fortschritt für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-Batterien bedeuten.
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