Gefährliche Kurzschlüsse in Lithium-Batterien verhindern

Dendriten gelten als die gefährlichsten Zerstörer von Lithiumbatterien – winzige Metallstrukturen, die Kurzschlüsse verursachen können. Im schlimmsten Fall brennen oder explodieren die Batterien dadurch. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III nun herausgefunden, dass sich solche Strukturen nicht nur an den Elektroden, sondern auch in polymerbasierten Elektrolyten bilden. Diese neue Erkenntnis ist entscheidend für die Stabilität künftiger Festkörperbatterien.

Lithium-Metall-Batterien zählen zu den Hoffnungsträgern der Energiespeicherung. Sie bieten deutlich mehr Energie auf weniger Raum – bei geringerem Gewicht. Doch ein Phänomen bremst ihre Entwicklung: winzige, nadelartige Metallstrukturen, sogenannte Dendriten, die aus Lithium bestehen. Sie können im Innern der Batterie unkontrolliert wachsen und verheerende Kurzschlüsse verursachen. Bislang galt die Verwendung von festen Elektrolyten, zu denen auch polymerbasierte Elektrolyte gehören, als eine Möglichkeit, um dieses Wachstum zu unterdrücken. 

„Elektrolyte haben in einer Batterie die Aufgabe, Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden hin und her zu transportieren – und machen einen Stromfluss überhaupt erst möglich“, erklärt Fabian Apfelbeck, Erstautor der jetzt im Fachmagazin „Nature Communication“ erschienenen Studie. Der Physiker forscht als Doktorand in der Arbeitsgruppe von Peter Müller-Buschbaum. am Lehrstuhl für Funktionale Materialien der TUM.

Polymerbasierte Elektrolyte bieten mehr Stabilität und Sicherheit als flüssige Elektrolyte, weil sie nicht auslaufen oder sich entzünden können. Zudem trennen sie die Elektroden zuverlässig voneinander und verhindern so Kurzschlüsse. „Unsere Messungen zeigen jedoch: Das Wachstum von Dendriten kann auch direkt im Polymer-Elektrolyten stattfinden – also mitten im Material, das eigentlich vor den Dendriten schützen soll“, erläutert Apfelbeck.

 Mit dem Nanofokus ins Batterieinnere blicken

Die Untersuchungen stellen also eine zentrale Annahme in der Batterieforschung infrage, wie Müller-Buschbaum 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.“

Die Forschenden nutzten für ihre Untersuchungen eine besonders exakte Methode: Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuexperimente, die das Team an der Beamline P03 an DESYs Röngtenlichtquelle PETRA III in Hamburg durchführte. Mit einem Röntgenstrahl von lediglich 350 Nanometern Durchmesser konnten sie in Hamburg erstmals die mikroskopischen Veränderungen im Inneren eines polymerbasierten Elektrolyten während des Batteriebetriebs sichtbar machen. Sie verwendeten dafür eine eigens entwickelte Miniaturzelle, in der sich die Batterie unter realen Bedingungen beobachten lässt.