Gefährliche Kurzschlüsse in Lithium-Batterien verhindern

Dendriten gelten als die gefährlichsten Zerstörer von Lithiumbatterien – winzige Metallstrukturen, die Kurzschlüsse verursachen können. Forschungsteam der TUM hat 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. MLZ-Postdoc Gilles Wittmann entwickelte die Miniaturzelle, in der sich die Batterie während des Betriebs unter realen Bedingungen untersuchen ließ.

Fabian Apfelbeck TUM-Forscher Fabian Apfelbeck arbeitet an einem Messgerät, mit dem sich Lade- und Entladezyklen von Knopfzellen untersuchen lassen. © V. Hiendl/e-conversion

TUM-Forscher Fabian Apfelbeck arbeitet an einem Messgerät, mit dem sich Lade- und Entladezyklen von Knopfzellen untersuchen lassen. © V. Hiendl/e-conversion

Lithium-Metall-Batterien zählen zu den Hoffnungsträgern der Energiespeicherung. Sie bieten deutlich mehr Energie auf weniger Raum und 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. Der Physiker forscht als Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Peter Müller-Buschbaum, ehemaliger wissenschaftlicher Direktor des FRM II, am Lehrstuhl für Funktionale Materialien der TUM und wird gefördert durch den Exzellenzcluster e-conversion.

Polymerbasierte Elektrolyte bieten mehr Stabilität und Sicherheit als flüssige Elektrolyte, da 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 Fabian Apfelbeck, Erstautor der im Fachmagazin Nature Communications erschienenen Studie.

Miniaturzelle Wittmann Die von Dr. Gilles Wittmann konstruierte luft- und feuchtigkeitsdichte Miniaturzelle mit einem Durchmesser von 2cm und einer Tiefe von nur 5mm ermöglicht Messungen unter realen Betriebsbedingungen. © Gilles Wittmann

Die von Dr. Gilles Wittmann konstruierte luft- und feuchtigkeitsdichte Miniaturzelle mit einem Durchmesser von 2cm und einer Tiefe von nur 5mm ermöglicht Messungen unter realen Betriebsbedingungen. © Gilles Wittmann

Mit dem Nanofokus ins Batterieinnere blicken

Die Untersuchungen stellen also eine zentrale Annahme in der Batterieforschung infrage, wie Prof. Peter 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: sogenannte Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuexperimente, die das Team am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg durchführte. Mit einem Röntgenstrahl von lediglich 350 Nanometern Durchmesser konnten sie erstmals die mikroskopischen Veränderungen im Inneren eines polymerbasierten Elektrolyten während des Batteriebetriebs sichtbar machen. Sie verwendeten für die Messungen eine eigens entwickelte Miniaturzelle, die Co-Autor Gilles Wittmann, Postdoc am Kleinwinkelstreuinstrument SANS-1 am MLZ, konstruiert hat. Die kreisförmige Zelle ist kleiner als herkömmliche Batteriezellen und schützt die empfindlichen Materialien zuverlässig vor Luft und Feuchtigkeit. So konnten die Forschenden das Verhalten der Batterie während des tatsächlichen Betriebs analysieren.