Forschung zu haltbareren Feststoffakkus

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Festkörperbatterien bringen viele Vorteile in der Zukunft, vor allem für die Autoindustrie. Aber auch im Smartphone und in anderen täglich genutzten Elektrogeräten können sie zum Einsatz kommen. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus bieten sie mehr Sicherheit, allerdings bereiten sie im Hinblick auf ihre Langlebigkeit noch Probleme.

Funktionsweise und Probleme der Feststoffbatterien

Anders als Lithium-Ionen-Batterien haben Festkörperakkus keinen flüssigen Kern (Elektrolyten), sondern bestehen aus einem festen Material. Dies hat vor allem den Vorteil, dass sie mechanisch belastbar und schwerer entflammbar sind und somit mehr Sicherheit bieten. Zudem halten sie Temperaturschwankungen stand und sind in kleinen Größen produzierbar, wodurch sie in vielen Elektrogeräten als Energiequelle einsetzbar sind.

Ein Manko haben Feststoffakkus allerdings noch: Schwierigkeiten zeigen sich nach mehreren Lade- und Entladezyklen. Anfangs sind die Plus- und Minuspole des Akkus noch elektrisch voneinander getrennt, doch durch interne Prozesse verbinden sie sich. Dadurch entstehen im Akkuinneren bei jedem Ladevorgang Lithium-Dendriten, solange bis die beiden Pole miteinander verschmelzen. Somit entsteht ein Kurzschluss, der den Akku zerstört. Aktuell versucht die Forschung nachzuvollziehen, welche Ursache es hierfür gibt und wie diese behoben werden kann. Bisher sind die genauen physikalischen Prozesse jedoch noch unklar.

Längere Lebensdauer des Festkörperakkus wird noch erforscht

Ein Team am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, geleitet von Rüdiger Berger aus dem Arbeitskreis von Hans-Jürgen Butt, hat versucht das Problem zu erforschen. Dabei nutzen sie eine spezielle Mikroskopiemethode und gingen der Frage nach, ob dieser Prozess der Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten in einer Tropfsteinhöhle ähnelt. Im Zuge der Forschungsarbeit war es das Ziel herauszufinden, wann die Dendriten wachsen und ob sie gleichmäßig von beiden Polen wachsen, oder ob es besondere Stellen im Akku gibt, die zu einer Keimbildung und von dort zu einem dendritischen Wachstum führen.

Bei den Untersuchungen schaute sich Bergers Team vor allem die „Korngrenzen“ in keramischen Festkörperelektrolyten an. Bei den sogenannten Korngrenzen handelt es sich um linienartige Gebilde, die durch zufällige, minimale Fluktuationen beim Kristallwachstum entstehen. Die Grenzen sind mithilfe der Mikroskopiemethode – der Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM; Kelvin Probe Force Microscopy) – sichtbar. Chao Zhu, ein Doktorand aus Bergers Team sagt:

„Wenn die Festkörperbatterie aufgeladen wird, sieht man mit der Kelvin-Probe-Kraftmikroskopie, dass sich Elektronen entlang der Korngrenzen ansammeln – besonders in der Nähe des Minuspols.“

Dies sei darauf zurückzuführen, dass sich durch die Korngrenze nicht nur die Atomanordnung der Keramik, sondern auch deren elektronische Struktur verändert.

Bildung von Dendriten ist Ursache für den Kurzschluss

Dadurch, dass sich die Elektronen – die negativen Teilchen – ansammeln, können positiv geladene Lithium-Ionen, zu metallischem Lithium reduziert werden. Kurzum: Das Lithium setzt sich fest und bildet ein Lithium-Dendrit. Bei jedem Ladevorgang kann sich der Dendrit weiterbilden, bis letztendlich die Pole verbunden sind. Jedoch zeigten die Ergebnisse, dass nur am Minus-Pol, nicht aber am Plus-Pol, ein Wachstum stattfand.

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