Ist das der Durchbruch zum Feststoffakku? Max-Planck-Forscher kommen Dendriten auf die Spur

Dendriten sind baumartige Wucherungen, die zu Durchbrüchen im Feststoffakku und damit zu Kurzschlüssen führen. Nun haben Max-Planck-Forscher-Forscher diesen Vorgang entschlüsselt und suchen nach Strategien, um die Kurzschlüsse zu verhindern.

Wenn etwas die Mobilitätswende aufhält, ist es die begrenzte Speicherfähigkeit der Akkus, die den Motor mit Strom versorgen. Gängige Lithium-Ionen-Akku speichern im Schnitt nur rund 0,12–0,18 Kilowattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: Ein Kilogramm Dieselöl steht für rund 12 Kilowattstunden*. Als Königs(aus)weg gelten Feststoffakkus. Sie speichern rund die Hälfte mehr Energie pro Kilogramm. Sie laden etwa doppelt so schnell, sie leben länger als die gängigen Lithium-Ionen-Akkus. Und sie sind so gut wie nicht entflammbar. Doch die Markteinführung hat sich immer wieder verschoben.

Anders als die Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) verwenden Festkörperakkus zwischen den beiden festen Elektroden keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen festen. Der besteht meist aus einer Keramikstruktur. Dank dessen ist die Nutzung von Anodenmarerial mit hohem elektrochemisches Potenzial wie zum Beispiel Lithium statt wie bislang Graphit möglich.

Bösartige Wucherungen

Im Labor zeigte sich aber immer wieder ein Problem: Während des Ladevorgangs bilden sich mikroskopisch kleine Einschlüsse, so genannte Dendriten. Diese winzigen baumartigen Wucherungen wachsen aus der Anode heraus, durchdringen selbst die harte keramische Struktur des Feststoffelektrolyten und verursachen damit die Kurzschlüsse.

Nun haben Forscher des Max-Planck-Institus für nachhaltige Materialien herausgefunden, wie diese Wucherungen Brüche im Material und deshalb Kurzschlüsse bewirken. Die Wissenschaft stand bislang vor einem Rätsel. Eigentlich dürfte es dieses Phänomen nicht geben. Denn Dendriten sind in Lage, den stabilen keramischen Elektrolyten zu durchdringen, obwohl sie aus Lithiummetall bestehen, das weich wie Gummibärchen ist. Die Max-Planck-Forscher gingen von zwei Hypothesen aus. Entweder baut sich im Inneren der Dendriten eine innere Spannung auf, die zu einem mechanischen Bruch des Festelektrolyten führt. Oder die Elektronen entweichen entlang der Korngrenzen des Festelektrolyten und fördern die Bildung von Lithiumkernen, die sich später miteinander verbinden.

Um eine der Hypothesen zu beweisen, bauten sie eine komplexe Laborlandschaft auf, die Untersuchungen im vollständig luftleeren Raum und mit ultratiefen Temperaturen möglich machte, Dadurch konnte die Wissenschaftler jeglichen Einfluß von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope ausschließen.

Weiche Dendriten perforieren harte Keramik

Das Max-Planck-Team analysierte den Spannungszustand und die plastische Aktivität der in den Rissen eingeschlossenen Lithium-Dendriten. Es zeigte sich, dass sich vor der Dendritenspitze kein Lithium anreichert. Yuwei Zhang, Erstautor der neuen Publikation und Leiter der Gruppe „Chemomechanik von Batteriematerialien“ am Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien erklärt dazu: „Das weiche Lithium-Metall ist in der Lage, den steifen keramischen Elektrolyten zu durchdringen, wie ein kontinuierlicher Wasserstrahl, der in ein Gestein eindringt. Wir haben berechnet, dass die hydrostatische Spannung im Dendriten letztlich zum Sprödbruch des festen Elektrolyten führt.“

Jetzt suchen das Team um Zhang nach Strategien, um diese Rissbildung zu verhindern. Ein Weg wäre der Einsatz von zäherem Elektrolytmaterial. Eine andere Lösung wäre die Einführung von miskroskopischen Hohlräumen, die die Dendritenwucherungen umleiten und die Risse ablenken. Eine weitere Möglichkeit könnte das Aufbringen einer Schutzschicht auf die Lithiumelektroden sein, um die Dendritenbildung zu unterdrücken.

Bislang lagen die Gründe für die Durchdringungseffizienz von Dendriten weitgehend im Dunkel. Die Arbeiten des Max-Planck-Teams bilden daher einen wichtigen Schritt zur Lösung eines der größten Probleme bei der Entwicklung der Feststoffbatterie.

*Selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Energieeffizienz von E-Motoren dreimal höher ist als die von Verbrennern, ist die Reichweite eines Dieselfahrzeuges pro Kilogramm Energieträger (Dieselöl bzw. Akku) etwa zwanzigmal höher als die eines Elektroautos.

Mehr: Chemie