Feststoffakkus: Max-Planck-Institut löst Dendriten-Problem

Festkörperbatterien gelten als die Zukunft der Elektromobilität, da sie sicherer sind und theoretisch die dreifache Reichweite aktueller Lithium-Ionen-Akkus ermöglichen. Demnach wären Elektroautos mit bis zu 1.500 Kilometer Reichweite denkbar. In der Praxis scheiterte die Serienreife bislang aufgrund der Dendritenbildung, da sie im Akku wachsen und Kurzschlüsse verursachen führt. Eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien in Düsseldorf klärt nun auf, wie diese weichen Metallstrukturen die harte Keramik zerstören. Dies bedeutet, Entwickler können durch das genaue Verständnis dieses mechanischen Druckprozesses Batteriezellen nun gezielt so konstruieren, dass Fehlerströme vermieden werden – ein entscheidender Schritt hin zu langlebigen E-Auto-Batterien mit großen Reichweiten.

Details: Lösung des Dendriten-Problems

Festkörperbatterie für mehr Reichweite und Sicherheit

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus für Smartphones und Elektroautos nutzen eine flüssige Zwischenschicht, den Elektrolyten. Diese Flüssigkeit ist wiederum brennbar, was bei Unfällen oder Defekten ein enormes Sicherheitsrisiko darstellt. Demgegenüber ersetzen Festkörperbatterien diese Flüssigkeit durch ein festes, keramisches Material. Das senkt die Brandgefahr, da der feste Elektrolyt weder auslaufen noch Feuer fangen kann.

Darüber hinaus ermöglichen Feststoffakkus deutlich höhere Energiedichten bei geringerem Gesamtgewicht, d.h. sie können mehr Energie auf kleinerem Raum speichern. Folglich könnte ein Elektroauto in der Praxis mit einem solchen Akku statt 500 Kilometer künftig 1.500 Kilometer am Stück fahren, während Smartphones tagelang ohne Steckdose auskommen.

Dendriten-Paradoxon: Warum das weiche Lithium harte Keramik bricht

Trotz der theoretischen Vorteile scheitern Festkörperakkus in der Praxis bisher an einem spezifischen Phänomen beim Ladevorgang – dem sogenannten Dendritenwachstum. Beim Aufladen lagert sich metallisches Lithium nicht immer gleichmäßig an der Anode ab, stattdessen bilden sich winzige, baumartig verzweigte Lithium-Ästchen. Diese Metallfäden wachsen langsam durch das keramische Material hindurch, bis sie die gegenüberliegende Kathode erreichen. Die Folge ist ein Kurzschluss, der die Batteriezelle dauerhaft unbrauchbar macht.

Forscher standen jahrelang vor diesem physikalischen Rätsel. Lithium ist ein sehr weiches Metall, das sich wie Butter mit einem Messer schneiden lässt. Die keramischen Elektrolyte dagegen sind steif und so hart wie Porzellan. Über die Frage, wie das weiche Metall die harte Keramik durchdringen kann, gab es in der Wissenschaft kontroverse Debatten mit zwei konkurrierenden Hypothesen:

1. Mechanik-Hypothese: Im wachsenden Lithium-Dendriten baut sich ein innerer Druck auf, der den spröden Elektrolyten zum Bersten bringt – ähnlich wie gefrierendes Wasser eine Flasche sprengt.
2. Elektronen-Hypothese: Elektronen wandern durch Defekte im Festelektrolyten und lagern dort Lithium ab. Diese isolierten Inseln wachsen nach und nach zu einer Kurzschluss-Brücke zusammen.

Kryo-Mikroskopie im Vakuum

Ein Team des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) löste das Problem. Die Gruppe um Erstautorin Yuwei Zhang und Institutsleiter Gerhard Dehm veröffentlichte ihre Ergebnisse im Fachmagazin Nature.

Um Verfälschungen durch Luft, Feuchtigkeit oder den Elektronenstrahl des Mikroskops auszuschließen, präparierten und untersuchten die Forscher die Proben vollständig unter Vakuum und bei extrem niedrigen Temperaturen von –190°C. Selbst der Transport zwischen den Geräten erfolgte in speziellen Schutzbehältern. Als Versuchsmaterial diente dabei eine spezielle Elektrolyt-Keramik mit dem Kürzel LLZTO, die für die Messungen hauchdünn auf etwa 0,15 Millimeter abgeschliffen wurde.

600 MPa Druck sprengt die Festkörper-Keramik

Mit hochauflösenden Verfahren wie der Kryo-Elektronenmikroskopie und der Elektronenbeugung kartierten die Wissenschaftler die Verteilung des Lithiums an der Spitze der Dendriten nanometergenau. Das Ergebnis widerlegt letztendlich die Elektronen-Hypothese, denn vor der Dendritenspitze fanden sich keine isolierten Lithium-Tröpfchen.

Stattdessen entdeckte das Team minimale Verdrehungen im Kristallgitter der Keramik nahe der Kontaktfläche, die auf starken, allseitigen Druck hinweisen. Im gewachsenen Dendriten baut sich ein hydrostatischer Druck von bis zu 600 Megapascal (MPa) auf – das 3000-fache des Drucks in einem normalen Autoreifen. Dieser Druck reicht aus, um die spröde Keramik wie Glas zu sprengen. Nicht die Härte des Metalls zerstört das Material, sondern der mechanische Stress. Bei der Auswertung von rund 100 Kristallkörnern zeigte sich zudem, dass 80% der Risse entlang der Grenzen zwischen den einzelnen Kristallkörnern verliefen, wohingegen nur 20% direkt durch die Kristalle hindurchgingen. Das scheinbar weiche Lithium gelangt somit in die Schwachstellen der Keramik, dehnt sich in den Fugen aus und zertrümmert die starre Struktur durch Innendruck.

MIT-Studie: Wie Stromfluss das Material zusätzlich schwächt

Die Ergebnisse des Düsseldorfer Teams werden durch eine parallel im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ergänzt. Die Gruppe um Professor Yet-Ming Chiang zeigte, dass bei höheren Stromstärken – also schnellerem Dendritenwachstum – bereits deutlich weniger mechanischer Druck ausreicht, um die Keramik zu spalten, weil der Stromfluss das Material elektrochemisch vorschädigt.

Mithilfe eines hochauflösenden Mikroskops, das einzelne Atome sichtbar macht, fanden die MIT-Forscher Hinweise darauf, dass der Stromfluss selbst die Keramik zusätzlich brüchig werden lässt. Erstautor Cole Fincher ordnete dies so ein, dass das Dendritenwachstum zwar ein mechanischer Bruchprozess ist, die Elektrochemie den Festelektrolyten jedoch schwächt und diesen Prozess somit unterstützt. Mechanischer Druck und chemische Vorgänge wirken demnach zusammen.

Praxisstrategien: 3 Wege zum robusten Feststoffakku

Die Forscher des MPI-SusMat belassen es jedoch nicht bei der Fehleranalyse, sondern zeigen auch konkrete materialtechnische Lösungsansätze des Problems auf.

1. Zähere Materialien: Die Entwicklung robusterer Keramik-Materialien, die dem mechanischen Druck an den Korngrenzen besser standhalten.
2. Gezielte Mikrodefekte: Der Einbau winziger Hohlräume oder querverlaufender Risse im Elektrolyten. In Tests mit einem Härteprüfer zeigte sich, dass Dendriten beim Erreichen solcher Kratzer ihre Richtung schlagartig um etwa 45 Grad seitlich änderten. Sie lassen sich so gezielt vom geraden Weg ablenken – weg von der gegenüberliegenden Elektrode ins Leere, wodurch der Kurzschluss ausbleibt.
3. Schutzschichten: Das Versehen der Lithium-Anode mit einer Schutzschicht, damit sich die metallischen Ästchen beim Laden gar nicht erst bilden können.

Der Weg zur Serienreife: Wann kommt der Super-Akku?

Ob und wie schnell sich diese Forschungsansätze in der Massenproduktion umsetzen lassen, ist derzeit noch offen. Auf Anfrage des Technologiemagazins The Register wollte sich das Max-Planck-Team nicht auf einen konkreten Zeitplan für weiterführende Tests festlegen. Parallel dazu verfolgen andere internationale Forschungsgruppen weitere Lösungswege. Das Schweizer Paul-Scherrer-Institut (PSI) setzt beispielsweise auf ein sanftes Sinterverfahren bei nur 80°C in Kombination mit einer hauchdünnen Lithiumfluorid-Schutzschicht von 65 Nm, um Hohlräume und Dendriten in sulfidbasierten Feststoffakkus zu minimieren (siehe PSI langlebige Feststoffakkus). Ein südkoreanisches Team des Herstellers SK On arbeitet derweil an einem innovativen photonischen Sinterverfahren, das intensive Lichtenergie nutzt, um die Produktion von Hybrid-Feststoffelektrolyten günstiger zu machen.

Große Automobilkonzerne wie Mercedes, BMW, VW, Toyota sowie der chinesische Hersteller BYD entwickeln eigene Festkörperzellen. Aufgrund der komplexen Materialfragen ist die breite Massenfertigung für Elektrofahrzeuge meist auf das Ende des Jahrzehnts angesetzt. Doch die neuen physikalischen Daten aus Düsseldorf und Boston liefern den Materialentwicklern nun immerhin die präzise wissenschaftliche Grundlage, um die mechanischen Schwachstellen gezielt anzugehen.

Quellen / Weiterlesen