Forschende von der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory haben die Ursache für Kurzschlüsse und Ausfälle bei der Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien mit festen Elektrolyten identifiziert. Die Forschung zeigt, dass diese Probleme überwiegend auf mechanische Belastungen zurückzuführen sin, besonders während des intensiven Ladevorgangs. Die Erkenntnisse dieser Forschung könnten maßgeblich die Zukunft der Elektroautos beeinflussen.
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„Schon eine leichte Eindrückung, Biegung oder Verdrehung der Batterien kann dazu führen, dass sich nanoskopische Risse in den Materialien öffnen und Lithium in den Festelektrolyten eindringt, was zu einem Kurzschluss führt“, erklärt William Chueh, ein Hauptautor der Forschungsarbeit, die das Team bereits Anfang 2023 im Fachjournal Nature Energy veröffentlichte. Auch Staub oder andere Verunreinigungen, die während der Herstellung eingebracht werden, können genug Strapazen erzeugen, um ein Versagen zu verursachen.
Das Problem des Versagens von Festelektrolyten ist gut dokumentiert, wobei die Theorien von unbeabsichtigtem Elektronenfluss bis hin zu verschiedenen Kräften reichen, die im Spiel sind. Energiedichte, schnell aufladbare, nicht entflammbare Lithium-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer haben das Potenzial, die Haupthindernisse für die breite Nutzung von Elektroautos zu überwinden .
Echtzeit-Beobachtungen liefern neue Erkenntnisse
Viele der derzeit führenden Festelektrolyte sind keramisch. Diese Materialien ermöglichen einen schnellen Transport der Lithiumionen und trennen die beiden Elektroden, welche die Energie speichern, zuverlässig. Zudem sind sie feuerfest.
Jedoch entwickeln sich auf keramischen Elektrolyten oft winzige Risse, was die Forscher in über 60 Experimenten nachgewiesen haben. Diese Risse weiten sich beim schnellen Laden und lassen Lithium eindringen, was zu einem Kurzschluss führen kann.
Das Forscherteam nutzte eine elektrische Sonde, um den Elektrolyten zu untersuchen, und simulierte eine Miniaturbatterie unter Schnellladebedingungen. Mithilfe eines Elektronenmikroskops konnten sie die Prozesse in Echtzeit beobachten. Zusätzlich setzte das Team einen Ionenstrahl ein, um genau zu analysieren, warum sich Lithium an einigen Stellen sammelt und dort weitere Schäden verursacht.
Druck als entscheidender Faktor für Kurzschlüsse
Der Schlüssel zur Vermeidung von Kurzschlüssen liegt im mechanischen Druck. Das Team stellte fest, dass mechanische Belastungen wie Eindrücken, Biegen und Verdrehen die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses signifikant erhöhen.
Eine reale Festkörperbatterie besteht aus Schichten von Kathoden-, Elektrolyt- und Anodenmaterialien, die übereinander gestapelt sind. Der Elektrolyt trennt die Kathode von der Anode, ermöglicht jedoch den freien Transport der Lithiumionen. Sobald sich Kathode und Anode berühren, kommt es unweigerlich zu einem Kurzschluss.
Grundlage für die Batterien der Zukunft
Die Studie belegt, dass selbst minimale Biegungen, Verwindungen oder ein Staubpartikel kleine Risse verursachen können, durch die das Lithium schließlich die Kathode und die Anode kurzschließt und die Batterie ausfällt. Dank dieser Erkenntnisse können zukünftige Batterieentwicklungen robuster gestaltet werden, wodurch auch die Ladezeiten verkürzt werden könnten.
Quellen: „Mechanical regulation of lithium intrusion probability in garnet solid electrolytes“ (Nature Energy, 2023)
Von Philipp Rall
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