Lithium-Metall-Batterien können bei geringem Gewicht viel Energie speichern und gelten deshalb als vielversprechend für die Elektromobilität. Doch bisherige Modelle haben ein Problem: Im Laufe des Betriebs bilden sich sogenannte Lithium-Dendriten, also nadelförmige Strukturen, die von der Anode aus wachsen und im schlechtesten Fall einen Kurzschluss verursachen können. Eine Studie zeigt nun, dass diese Dendriten nicht wie bisher angenommen weich und verformbar sind, sondern hart und spröde. Diese Erkenntnis eröffnet neue Ansätze, dem Problem entgegenzuwirken.
Heutige Elektroautos werden üblicherweise mit einer Lithium-Ionen-Batterie betrieben. Doch für größere Reichweiten bei gleichzeitig geringerem Gewicht könnten Lithium-Metall-Batterien eine vielversprechende Alternative bieten. Während die Anode, also der negative Pol, bei Lithium-Ionen-Batterien aus Graphit besteht, wird bei Lithium-Metall-Batterien reines Lithium verwendet, das eine wesentlich höhere Energiedichte erreicht.
Doch bisher verhindert ein entscheidendes Problem die Kommerzialisierung dieser Batterien: Die Lithium-Ionen, die beim Laden der Batterie zur Anode wandern, lagern sich dort nicht gleichmäßig ab, sondern bilden mit der Zeit nadelförmige Strukturen, sogenannte Dendriten. Brechen diese Dendriten ab, sammeln sie sich als sogenanntes „totes Lithium“ an, wodurch die Batteriekapazität sinkt. Noch schlimmer ist es, wenn sie die zerstörerischen Spitzen weiterwachsen. Denn in diesem Fall können sie bis zur Kathode vordringen und einen Kurzschluss verursachen, der dazu führen kann, dass sich die Batterie entzündet.
Trockene Spaghetti statt Knete
Um das Wachstum der Dendriten zu verhindern, experimentierten bisherige Lösungsansätze mit festen Elektrolyten, die doppelt so stabil sind wie das weiche Leichtmetall Lithium. „Doch neuere Studien zeigen, dass selbst feste Elektrolyten die Lithium-Dendriten nicht aufhalten können“, erklärt ein Team um Qing Ai von der Rice University im texanischen Houston. „Das wirft die Frage auf: Wie kann Lithium, das bekanntermaßen weich und verformbar ist, deutlich härtere Elektrolyten durchbrechen?“
Auf der Suche nach einer Antwort auf diese Frage extrahierten die Forschenden die nur wenige Nanometer großen Dendriten aus einer Lithium-Metall-Batterie und untersuchten sie unter einem Elektronenmikroskop. Als sie kontrollierte mechanische Belastungen auf die winzigen Leichtmetall-Nadeln ausübten, stellten sie fest, dass sich das Material ganz anders verhielt als erwartet. „Lithiumdendriten galten als weich und biegsam, ähnlich wie Knete“, sagt Co-Autor Xing Liu vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. „Unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass sie stattdessen hart und spröde sind – sie brechen eher wie trockene Spaghetti.“ Dieses Abbrechen konnte das Team in Echtzeit unter dem Elektronenmikroskop beobachten.
Neue Lösungsansätze
Aber warum weisen die Lithium-Dendriten ganz andere Eigenschaften auf als ein Klumpen Lithium? „Um zu erklären, warum sich Lithium-Dendriten anders verhalten als bisher angenommen, haben wir skalierungsübergreifende Simulationen durchgeführt“, berichtet Liu. In Kombination mit den elektronenmikroskopischen Daten zeigten die Computermodelle: Wenn sich die Dendriten in einer Batterie bilden, sind sie von einer dünnen Grenzschicht des festen Elektrolyten umgeben (Solid Electrolyte Interphase, SEI). Durch die Kombination aus einem kristallinen Lithium-Kern und einer SEI-Beschichtung wird die Struktur so starr, dass sie unter Belastung eher bricht als sich zu verbiegen und auch Materialien durchbohren kann, die deutlich fester sind als das Lithium selbst.
„Das Verständnis der zugrunde liegenden Physik liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Dendriten weniger anfällig für Sprödbruch gemacht werden können“, erklärt Liu. Beispielsweise könnten für die Anode Lithiumlegierungen statt reinen Lithiums verwendet werden, damit die Dendriten biegsamer werden. „Auch Anpassungen bei der Mikrostruktur des festen Elektrolyten könnten ein praktikabler Ansatz zur Verringerung von Batteriedefekten sein“, erläutert das Team. „Das Verständnis des spröden Bruchverhaltens liefert somit Erkenntnisse, um die Bildung von inaktivem Lithium und das Durchbrechen des Elektrolyten zu verhindern, was sicherere und zuverlässigere Lithium-Metall-Batterien ermöglichen könnte.“
Quelle: Qing Ai (Rice University, Houston, Texas, USA) et al., Science, doi: 10.1126/science.adu9988
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