Lebenszeit von Batterien: Wenn winzige Lithiumspitzen zur Gefahr werden

Moderne Lithium-Ionen-Batterien gelten als zentrale Technik für mobile Geräte, Elektroautos und stationäre Energiespeicher. Trotzdem bleibt ein altes Problem hartnäckig bestehen: Im Inneren der Zellen können winzige metallische Auswüchse entstehen, sogenannte Dendriten. Diese mikroskopisch kleinen Strukturen wachsen beim Laden an der negativen Elektrode und können die Lebensdauer einer Batterie verkürzen oder im schlimmsten Fall einen Kurzschluss auslösen. Neue Untersuchungen zeigen nun genauer, warum diese Gebilde so gefährlich sind – und weshalb sie sich anders verhalten als Lithium im größeren Maßstab.

Lithiumdornen im Inneren der Batterie

Dendriten sind extrem feine, nadelartige Ablagerungen aus Lithium, die sich unter bestimmten Bedingungen in Batteriezellen ausbilden. Sie sind viel dünner als ein menschliches Haar und wachsen von der Anode aus in Richtung der übrigen Zellbestandteile. Problematisch wird das vor allem dann, wenn sie den Separator durchdringen – also jene dünne Trennschicht, die Anode und Kathode voneinander isoliert. Wird diese Barriere verletzt, kann es zu einem internen Kurzschluss kommen. Darüber hinaus können abgebrochene Dendriten elektrisch isoliert zurückbleiben. Dieses sogenannte „dead lithium“ trägt dann nicht mehr zur Energiespeicherung bei und mindert die Kapazität der Batterie. Xing Liu beschreibt Dendriten deshalb als „one of the biggest obstacles to the commercialization of lithium-metal batteries“.

Unerwartet spröde statt weich

Besonders aufschlussreich ist die neue Erkenntnis, dass sich diese Strukturen mechanisch ganz anders verhalten als bislang angenommen. Größere Mengen Lithium gelten eigentlich als weich und gut verformbar. Entsprechend lag die Vermutung nahe, dass auch Dendriten eher nachgiebig seien. Die Experimente zeigten jedoch das Gegenteil: Die winzigen Lithiumdornen erwiesen sich als überraschend fest und spröde. Liu formuliert es anschaulich: „Lithium dendrites have long been assumed to be soft and ductile, like Play-Doh. But our observations suggest that they may instead be strong and brittle — snapping more like dry spaghetti.“ Gerade diese Kombination macht sie tückisch. Einerseits können sie harte, spitze Strukturen bilden, andererseits brechen sie leicht und hinterlassen schädliche Rückstände in der Zelle.

Warum die Schutzschicht zum Risiko wird

Der Schlüssel zu diesem Verhalten liegt offenbar in einer dünnen Hülle, die sich während des Betriebs um die Dendriten bildet: der sogenannten Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI. Diese Grenzschicht entsteht natürlicherweise im Inneren der Batterie. Nach den neuen Modellen und Beobachtungen verleiht sie den Dendriten zusätzliche Steifigkeit und macht aus eigentlich weichem Lithium starre, nadelartige Gebilde. Damit wächst nicht nur die Gefahr, dass sie Separatoren und Elektrolytbereiche beschädigen, sondern auch das Risiko, dass sie unter Belastung brechen. Um diese Prozesse überhaupt präzise untersuchen zu können, mussten die Forscher:innen eigens luftdichte Mess- und Präparationssysteme entwickeln, denn Lithium reagiert sehr schnell mit Luft. Boyu Zhang erklärte dazu, man habe „customized sample preparation and mechanical characterization platforms“ entwickelt, um diese empfindlichen Strukturen quantitativ zu analysieren.

Die Ergebnisse liefern damit nicht nur eine Erklärung für typische Alterungs- und Ausfallmechanismen von Batterien, sondern auch Hinweise auf mögliche Gegenstrategien. Genannt werden etwa Lithiumlegierungen, die Dendriten weniger anfällig für sprödes Brechen machen könnten. Noch ist daraus keine sofort verfügbare Lösung geworden. Aber die Studie verschiebt den Blick auf ein entscheidendes Detail: Nicht allein das Wachstum der Dendriten ist das Problem, sondern auch ihre innere mechanische Struktur. Genau dort könnte künftig der Hebel liegen, um Batterien sicherer, langlebiger und leistungsfähiger zu machen.

via New Jersey Institute of Technology