Max-Planck-Forscher erklären Dendriten-Bildung in Feststoff-Batterien

Dendriten sind in heutigen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten ein bekannten Problem. Die Lithium-Ablagerungen können in diesen Zellen so stark anwachsen, dass sie die wichtige Separatorfolie beschädigen und es so zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode kommen kann. Doch auch in Feststoffzellen sind die Dendriten eine Herausforderung. „Diese winzigen baumartigen Strukturen wachsen vom Minuspol aus (Anode), durchdringen den festen Elektrolyten und reichen bis zum Pluspol (Kathode) und verursachen damit einen Kurzschluss im Inneren der Batterie“, schreibt das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien. Das Problem: Bisher war unklar wie dieser Vorgang genau abläuft.

Im Wissenschaftsjournal Nature hat ein interdisziplinäres Team des Instituts jetzt die Ergebnisse seiner Arbeit veröffentlicht. Dabei sind die Expertinnen und Experten der Forschungsfrage nachgegangen, wie das eigentlich weiche Lithiummetall der Elektroden den festen keramischen Elektrolyten beschädigen kann.

„Obwohl die Elektroden und die sich bildenden Dendriten aus Lithiummetall bestehen, das weich wie Gummibärchen ist, sind die Dendriten in der Lage, den harten, keramischen Elektrolyten zu durchdringen“, sagt Yuwei Zhang, Erstautor der neuen Publikation und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien. „Es gibt zwei Hypothesen, die versuchen dieses Phänomen zu erklären: Entweder es baut sich eine innere Spannung in den Dendriten auf, die Risse im festen Elektrolyten verursacht. Oder Elektronen bewegen sich entlang der Korngrenzen im Elektrolyten und fördern dort die Bildung von Lithiumkeimen, die sich später miteinander verbinden.“

Der Versuchsaufbau war recht aufwändig: Die Proben wurden unter Vakuum und bei kryogenen Temperaturen hergestellt und untersucht, um Einflüsse von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope auszuschließen. Der Aufwand hat sich aber gelohnt, denn es gab die erhofft klaren Ergebnisse. So konnte das Forscherteam feststellen, dass sich vor der Spitze der Dendriten kein zusätzliches Lithium ansammelt.

„Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten, wie ein konstanter Wasserstrahl auch Stein durchbrechen kann. Unsere Berechnungen zeigen, dass hydrostatischer Druck innerhalb der Dendrite, Zugspannungen im keramischen Elektrolyten erzeugt und zu Rissen führt“, erklärt Zhang. Simulationen und Messungen mit Hilfe von Elektronenrückstreubeugung bestätigten das Ergebnis.

Diese Erkenntnis ist wichtig, um die Ausbreitung der Dendriten zu unterbinden oder zumindest so weit zu verlangsamen, dass es während der üblichen Nutzungsdauer der Batterie nicht zu den Kurzschlüssen kommt. „Mögliche Ansätze umfassen die Erhöhung der Festigkeit des Elektrolyten, um die Rissbildung zu stoppen beziehungsweise zu verlangsamen, das Einbringen mikroskopisch kleiner Hohlräume, die das Dendritenwachstum umlenken, oder das Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf die Lithiumelektroden, um die Dendritenbildung zu unterdrücken“, so das Institut.

mpie.de