Warum kommt es zu Kurzschlüssen in Festkörper-Batterien?
Dendrite erzeugen hydrostatische Spannung, die zu Zugspannungen im festen Elektrolyten führt.
Zu den vielversprechendsten Energiespeichern zählen Festkörperbatterien. Diese Akkus könnten es ermöglichen, dass Smartphones nach mehreren Tagen, anstatt täglich, aufgeladen werden und Elektrofahrzeuge eine dreimal so hohe Reichweite erzielen wie aktuelle Modelle.
In den meisten elektronischen Geräte sind heutzutage Lithium-Ionen-Batterien verbaut. Diese bestehen aus zwei festen Elektroden, die von einem flüssigen Elektrolyten getrennt werden. In Festkörperbatterien kommen feste Elektrolyte zum Einsatz. Dieses Design ermöglicht prinzipiell Batterien, die länger leben, sicherer sind und mehr Energie speichern können. Trotz der vielen Vorteile, werden Festkörperbatterien noch nicht kommerziell genutzt, weil sich beim Aufladen mikroskopisch kleine Auswüchse aus Lithium bilden können. Diese winzigen baumartigen Strukturen wachsen von der Anode aus, durchdringen den festen Elektrolyten und reichen bis zur Kathode und verursachen damit einen Kurzschluss im Innern der Batterie. Bisher war unklar wie dieser Vorgang genau abläuft. Ein interdisziplinäres Team am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien konnte nun erklären wie diese Dendriten Risse verursachen und zu Kurzschlüssen führen.
Die durch Dendriten verursachten Risse in Festkörperbatterien sind ein kontraintuitives Phänomen. „Obwohl die Elektroden und die sich bildenden Dendriten aus Lithiummetall bestehen, das weich wie Gummibärchen ist, sind die Dendriten in der Lage, den harten, keramischen Elektrolyten zu durchdringen“, sagt Yuwei Zhang, Erstautor der neuen Publikation und Forschungsgruppenleiter am MPI für Nachhaltige Materialien. „Es gibt zwei Hypothesen, die versuchen dieses Phänomen zu erklären: Entweder es baut sich eine innere Spannung in den Dendriten auf, die Risse im festen Elektrolyten verursacht. Oder Elektronen bewegen sich entlang der Korngrenzen im Elektrolyten und fördern dort die Bildung von Lithiumkeimen, die sich später miteinander verbinden.“
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Um diese Hypothesen zu prüfen, nutzten die Forschenden ein aufwendiges experimentelles Setup. Die Proben wurden unter Vakuum und bei kryogenen Temperaturen hergestellt und untersucht, um Einflüsse von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope auszuschließen.
Die Analyse zeigte: Vor der Spitze der Dendriten sammelt sich kein zusätzliches Lithium an. „Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten, wie ein konstanter Wasserstrahl auch Stein durchbrechen kann. Unsere Berechnungen zeigen, dass hydrostatischer Druck innerhalb der Dendrite, Zugspannungen im keramischen Elektrolyten erzeugt und zu Rissen führt“, erklärt Zhang. Simulationen und Messungen mit Hilfe 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 beziehungsweise zu verlangsamen, das Einbringen mikroskopisch kleiner Hohlräume, die das Dendritenwachstum umlenken, oder das Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf die Lithiumelektroden, um die Dendritenbildung zu unterdrücken. [MPI SusMat / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
Y. Zhang, S. Motahari, E. V. Woods, et al.: Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte, Nature 652 (2026) 912, 23. April 2026; DOI: 10.1038/s41586-026-10415-9 - Chemomechanik von Batteriematerialien, Mechanik an chemischen Grenzflächen (Yuwei Zhang), Abt. Struktur und Nano- / Mikromechanik von Materialien, MPI für Nachhaltige Materialien, Düsseldorf
