Festkörperbatterien sind noch nicht marktreif, da sich während der Aufladung von der Anode aus Dendrite aus Lithium bilden können, die zu Kurzschlüssen führen. Wie dieser Vorgang genau abläuft, war bisher unklar. Ein interdisziplinäres Team am Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien konnte nun erklären, wie diese Dendriten Risse verursachen und zu Kurzschlüssen führen.
Dazu nutzten die Forschenden ein aufwendiges experimentelles Setup. Die Proben wurden unter Vakuum und bei kryogenen Temperaturen hergestellt und untersucht, um die Einflüsse von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope auszuschließen.
Die Analyse zeigte, dass sich vor der Spitze der Dendriten kein zusätzliches Lithium ansammelt. „Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten wie ein konstanter Wasserstrahl, der auch Stein durchbrechen kann. Unsere Berechnungen zeigen, dass hydrostatischer Druck innerhalb der Dendriten Zugspannungen im keramischen Elektrolyten erzeugt und zu Rissen führt“, erklärt Dr. Yuwei Zhang, Erstautor der neuen Publikation und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut. Simulationen und Messungen mithilfe von Elektronenrückstreubeugung bestätigten das Ergebnis.
Auf Basis dieser Erkenntnisse arbeitet das Max-Planck-Team nun an Strategien, um die Rissbildung zu verhindern oder zumindest zu verzögern. Mögliche Ansätze umfassen die Erhöhung der Festigkeit des Elektrolyten, um die Rissbildung zu stoppen bzw. zu verlangsamen, das Einbringen mikroskopisch kleiner Hohlräume, die das Dendritenwachstum umlenken, oder das Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf die Lithiumelektroden, um die Dendritenbildung zu unterdrücken. (jr)
