Forscher lösen Rätsel um Kurzschlüsse in Feststoffakkus
Alles wird besser mit Feststoffakkus: mehr Reichweite, mehr Sicherheit und längere Lebensdauer. Theoretisch. Gerade der letzte Punkt stellt Akkuhersteller und Batterieforscher noch vor Herausforderungen.
Denn in Feststoffakkus bilden sich Dendriten. Und die fressen sich durch die Batteriezelle, was zu Kurzschlüssen führen kann. Wieso das überhaupt möglich ist, war bis jetzt ein Rätsel. Forscher des Max-Planck-Instituts haben es gelöst.
Gummibärchen versus Keramik
Dendriten sind Lithiumfasern, die durch die chemische Reaktion im festen Elektrolyten beim Laden- und Entladen entstehen. Laut dem Max-Planck-Institut sind sie „weich wie Gummibärchen“. Dennoch schaffen sie es, den harten, keramischen Elektrolyten zu durchdringen. Sind sie vom Minus- bis zum Pluspol gewachsen, gibt es einen Kurzschluss.
Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie im Vergleich zu einer Festkörperbatterie
© P. Mehta: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
Bisher gab es 2 Hypothesen, wie die weichen Dendriten durch den harten Elektrolyten kommen. Die Erste geht davon aus, dass sich in den Dendriten Spannung aufbaut, die schließlich Risse im Elektrolyten verursacht. Die Zweite besagt, dass Elektronen entlang der Korngrenzen (trennt die Kristallstruktur im Mikrobereich) im Elektrolyten laufen. Dadurch fördern sie die Bildung einzelner Lithiumkeime, die sich später miteinander zu den Lithiumfasern verbinden.
Wie ein Wasserstrahl
Um die Hypothesen zu überprüfen, wurden Proben in einem Vakuum bei kryogenen Temperaturen (kälter als -150 Grad Celsius) hergestellt und untersucht. Durch diese Methode konnte sichergestellt werden, dass keine äußeren Einflüsse, wie Sauerstoff und Wasser, das Ergebnis verfälschen.
Die Untersuchung zeigte, dass sich an den Spitzen der Dendriten kein zusätzliches Lithium ansammelt. Das spricht gegen die Hypothese der Lithiumkeime. Stattdessen hätten weitere Simulationen und Messungen ergeben, dass hydrostatischer Druck in den Dendriten Zugspannungen im Elektrolyten erzeugt. Dies könne man vergleichen, wie ein konstanter Wasserstrahl, der einen Stein durchbricht.
Vorteil von Feststoffakkus
Feststoffakkus werden mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus zugeschrieben. Diese sind:
Mehr Energie auf kleinerem Raum
Feststoffbatterien können deutlich mehr Energie speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Das bedeutet: Größere Reichweite bei gleichem Platzbedarf oder kleinere, leichtere Batterien für dieselbe Reichweite.
Weniger Brandgefahr, mehr Sicherheit
Statt einer brennbaren, flüssigen Elektrolytlösung nutzen Solid-State-Akkus einen festen Elektrolyten, der nicht entflammbar ist. Dadurch sinkt das Risiko von Überhitzung, Kurzschlüssen oder Explosionen erheblich.
Schnelleres Laden und längere Lebensdauer
Feststoffbatterien ermöglichen höhere Ladegeschwindigkeiten. Außerdem altern sie langsamer, was die Lebensdauer der Batterie deutlich verlängert.
Dendriten umleiten
Jetzt, wo dieses Rätsel gelöst ist, kann man sich auf das Lösen des Problems fokussieren. Die Forscher wollen Strategien entwickeln, um das Entstehen der Risse zu verhindern oder möglichst lange zu verzögern. Ein Ansatz dafür könnte sein, den Elektrolyten fester zu machen. Ein anderer sieht das Einbringen von mikroskopischen Hohlräumen im Elektrolyten vor. Diese fungieren quasi wie eine Sollbruchstelle und lenken die Dendriten um, damit sie möglichst spät den Pluspol erreichen.
Mehrere Autohersteller wollen in den nächsten Jahren Feststoffakkus in Serienfahrzeugen verbauen. Einige chinesische Anbieter wollen damit schon heuer beginnen. Dann wird sich zeigen, wie bereits bestehende Schutzmaßnahmen gegen Dendriten wirken und wie langlebig die Feststoffakkus dadurch im Alltagseinsatz sind. Derzeit wird etwa mit speziellen Beschichtungen auf den Lithiumelektroden gearbeitet, die die Bildung der Dendriten unterdrücken sollen.
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