Gefährliche Kurzschlüsse in Lithium-Batterien verhindern

Dendriten – winzige, nadelartige Lithium-Metallstrukturen – gelten als Hauptursache für Kurzschlüsse und die Gefahr des Brennens oder Explodierens von Lithiumbatterien. Dabei sind Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihres geringen Gewichts große Hoffnungsträger der Energiespeicherung. Bislang galt der Einsatz von polymerbasierten Festelektrolyten als vielversprechende Methode, um das unkontrollierte Wachstum dieser Dendriten zu unterdrücken. Ein Forschungsteam der TUM hat nun jedoch festgestellt, dass sich diese gefährlichen Strukturen nicht nur an den Elektroden, sondern auch innerhalb der polymerbasierten Elektrolyten bilden. Diese neue Erkenntnis ist entscheidend für die Entwicklung und Stabilität künftiger Festkörperbatterien.

„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.

Dendritenwachstum: Gefahr im Polymer-Elektrolyt

Polymerbasierte Elektrolyte bieten grundsätzlich mehr Stabilität und Sicherheit im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten, da sie weder auslaufen noch sich entzünden können. Zudem tragen sie dazu bei, Kurzschlüsse zu verhindern, indem sie die Elektroden zuverlässig voneinander trennen. „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.

Mit dem Nanofokus ins Batterieinnere blicken

Damit stellen die Untersuchungen eine zentrale Annahme in der Batterieforschung infrage. 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.“

Untersuchungsmethode am DESY

Für ihre Untersuchungen setzten die Forschenden eine besonders präzise Methode ein: Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuexperimente, die am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg durchgeführt wurden. Mithilfe eines extrem feinen Röntgenstrahls von nur 350 Nanometern Durchmesser gelang es dem Team erstmals, die mikroskopischen Veränderungen im Inneren eines polymerbasierten Elektrolyten während des realen Batteriebetriebs sichtbar zu machen. Hierfür verwendeten sie eine eigens entwickelte Miniaturzelle, die eine Beobachtung der Batterie unter nahezu realen Bedingungen ermöglichte.

Quelle

Technische Universität München (11/2025)