Forscher identifizieren Dendriten auch in Polymer-Festkörperbatterien

Ein Forscherteam der TU München hat entdeckt, dass Dendrite, die in Batterien zu Kurzschlüssen führen können, nicht nur nur an den Elektroden einer Batterie entstehen können, sondern sich auch mitten im festen Elektrolyten bilden können. Das ist entscheidend für die Entwicklung künftiger Festkörperbatterien.

Dendriten tum forscher fabian apfelbeck — Physiker Fabian Apfelbeck von der TU München
Bild: Vera Hiendl / e-conversion

Dendriten sind ein problematisches Phänomen, das die Sicherheit von Batterien einschränkt: Dabei handelt es sich um winzige, nadelartige Metallstrukturen, die aus Lithium bestehen. Sie können im Innern der Batterie unkontrolliert wachsen und verheerende Kurzschlüsse verursachen. Bislang galt es als Common Sense in der Branche, dass die Verwendung von festen Elektrolyten, wie sie in den zukunftsträchtigen Lithium-Metall-Festkörperbatterien zum Einsatz kommen, eine gute Möglichkeit ist, um das Wachstum von Dendriten zu unterdrücken.

Zu diesen festen Elektrolyten zählen auch polymerbasierte Elektrolyte. Diese werden auf Kunststoffbasis hergestellt und erfüllen in Batterien die gleiche Aufgabe wie flüssige Elektrolyte: Sie transportieren Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode, damit Strom fließen kann.

Bei sogenannten Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuexperimenten, die das Team der TU München am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg durchführte, stellte sich nun aber heraus, dass sich die Dendriten auch mitten im festen Polymer-Elektrolyten bilden können. Dabei ist dies ein Material, das eigentlich vor den Dendriten schützen soll, wie der Physiker Fabian Apfelbeck, Erstautor der im Fachmagazin „Nature Communications“ erschienen Studie, erläutert.

Mit dieser Beobachtung wird eine zentrale Annahme der Batterieforschung infrage gestellt, wie Prof. Peter Müller-Buschbaum vom Lehrstuhl für Funktionale Materialien der TU München erläutert: „Bislang galt: Dendritenwachstum findet nur an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt statt. Dass es auch weit davon entfernt auftritt, hat uns überrascht. Dieses neue Wissen hilft uns dabei, Materialien zu entwickeln und auch weiterzuentwickeln, in denen solche internen Kristallisationsprozesse gar nicht erst auftreten – für effizientere, sichere und langlebige Energiespeicher.“

Denn aus der Beobachtung des Dendritenwachstums in festen Elektrolyten ergibt sich eine zentrale Herausforderung für die Branche: Die Entdeckung zeigt, dass Festkörperbatterien trotz fester Elektrolyte nicht automatisch vor Kurzschlüssen sicher sind. Entwickler müssen Materialien, Struktur und Testmethoden daher neu denken, um wirklich stabile und sichere Batterien der nächsten Generation zu bauen.

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