Neue Batterie-Technologie: Dendriten in Feststoffakkus entdeckt
Der berüchtigte Akku-Killer droht auch in Feststoffbatterien
Feststoffakkus sollen die Elektroauto-Stromspeicher der nächsten Generation werden, dank mehr Reichweite und Sicherheit. Doch jetzt entdeckten Forscher an der neuen Technologie ein bekanntes Akku-Problem.
Bild: Mercedes-Benz AG – Communicati
Der natürliche Feind von Elektroauto-Batterien – und Li-Ionen-Akkus allgemein – sind Dendriten. Das sind kristalline Strukturen, die sich im Laufe der Nutzung bilden können. Sie können zum Zellschluss und damit zum Tod des Akkus führen – ein wahrer Akku-Killer! Bisher wurde angenommen, solche Dendriten entstünden nur in Stromspeichern mit flüssigem Elektrolyt, also Li-Ionen-Akkus. Deutsche Wissenschaftler haben nun entdeckt, dass auch Feststoffakkus betroffen sein können.
Das ist ein überraschender Befund. Bisher hielt man diese neue Akku-Technologie, die in wenigen Jahren Elektroautos noch reichweitenstärker und sicherer machen soll, für immun gegen Dendriten. Forscher der TU München stellten nun jedoch fest: Auch im festen Elektrolyt von Festkörperakkus können die gefährlichen Lithium-Ästchen wachsen – und zwar nicht nur direkt an der Anode, sondern sogar in einiger Entfernung im Elektrolyt.
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Darum sind Dendriten gefährlich
Dendriten können während des Ladezyklus im Akku entstehen. Kurz zum Batterie-Prinzip: Im Betrieb wandern Ionen von der einen zur anderen Elektrode (Anode und Kathode, getrennt durch einen Separator). Durch Einflüsse, die noch nicht vollständig klar sind, lagern sie sich nicht gleichmäßig an, sondern treten an bestimmten Stellen der Elektrode gehäuft auf. So entsteht ein "Baum" (griechisch Dendron) auf der Elektrodenoberfläche. Wächst er, kann er irgendwann den Separator durchstechen. Das bewirkt einen Kurzschluss, schlimmstenfalls einen Brand.
Bei Feststoffakkus sind positive und negative Elektrode durch ein Elektrolyt im festen Aggregatzustand getrennt. Diese Struktur hielt man für widerstandsfähig genug, um Dendritenwachstum aufzuhalten. Dass Ladungsvorgänge schneller ablaufen als in konventionellen Akkus, schien eine weitere Absicherung gegen die Bildung von Dendriten. Umso verblüffender, dass die kristallinen Lithium-Ablagerungen auch in Festkörper-Akkus entstehen – und nicht nur direkt auf der Elektrode, sondern auch davon getrennt in der Zwischenschicht.
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Zwei-Jahres-Vertrag muss händisch verkürzt werdenErgebnisse sollen zu besseren Elektrolyten führen
"Unsere Messungen zeigen: Das Wachstum von Dendriten kann auch direkt im Polymer-Elektrolyten stattfinden – also mitten im Material, das eigentlich vor den Dendriten schützen soll", erläutert Fabian Apfelbeck, Erstautor der Studie. Das habe ihn und das Team überrascht. Apfelbeck forscht als Doktorand an der TU München zum Thema.
Resümee des Lehrstuhlinhabers Prof. Peter Müller-Buschbaum: "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." Das Team verwendete für sein Forschungsprojekt eine eigens entwickelte Miniaturzelle, in der sich die Batterie unter realen Bedingungen beobachten lässt.
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