Warum Kurzschlüsse in Festkörperbatterien durch Lithium-Dendriten entstehen

Forscher des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien haben herausgefunden, wie Lithium-Dendriten Brüche in Festkörperbatterien auslösen, eine Entdeckung, die helfen könnte, eines der größten Hindernisse für die Forscher des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien haben herausgefunden, wie Lithium-Dendriten Brüche in Festkörperbatterien auslösen, eine Entdeckung, die helfen könnte, eines der größten Hindernisse für die nächste Generation des Energiespeicherns zu lösen.

Festkörperbatterien gelten weithin als zukünftiger Ersatz für heutige Lithium-Ionen-Zellen, da sie potenziell mehr Energie speichern, länger halten und die Sicherheit verbessern können. Sie ersetzen den brennbaren flüssigen Elektrolyten, der in herkömmlichen Batterien verwendet wird, durch einen festen Keramik-Elektrolyten.

Ein großes Problem hat jedoch die Kommerzialisierung verlangsamt. Während des Ladevorgangs können winzige Lithiumstrukturen, sogenannte Dendriten, vom Elektrodenmaterial wachsen, den festen Elektrolyten durchdringen und interne Kurzschlüsse verursachen.

Die neue Studie erklärt, wie dies

Die neue Studie erklärt, wie dies geschieht. Anstatt dass Elektronen vor der Dendritenspitze austreten, fanden die Forscher heraus, dass sich innere Spannung im Lithiummetall aufbaut, bis es die steife Keramikbarriere durchbricht.

„Obwohl die Elektroden und die entstehenden Dendriten aus Lithiummetall bestehen, das weich wie ein Gummibär ist, können die Dendriten die Keramikelektrolyt durchdringen und einen Kurzschluss verursachen“, sagte Dr. Yuwei Zhang, Erstautor der Studie und Leiter der Gruppe „Chemo-Mechanics of Battery Materials“ am MPI-SusMat.

Um den Versagensprozess zu untersuchen, bereiteten und analysierten das Team Batterienmuster unter Vakuum und kryogenen Temperaturen. Dies half, Störungen durch Sauerstoff, Feuchtigkeit oder Mikroskopstrahl-Effekte zu eliminieren, die die Ergebnisse verändern könnten.

Die Forscher untersuchten Lithium, das

Die Forscher untersuchten Lithium, das in Rissen eingeschlossen war, und fanden keinen Beweis dafür, dass sich Lithium vor der Dendritenspitze ansammelte. Das schwächte eine führende Theorie, wonach das Austreten von Elektronen entlang von Korngrenzen für das neue Lithiumwachstum im Keramikmaterial verantwortlich war.

Stattdessen kam das Team zu dem Schluss, dass der hydrostatische Druck im Dendrit genug Zugspannung erzeugt, um den Elektrolyten zu durchbrechen.

„Das weiche Lithiummetall kann den steifen keramischen Elektrolyten durchdringen, wie ein kontinuierlicher Wasserstrahl, der einen Felsen durchdringt.“ „Wir haben berechnet, dass der hydrostatische Spannungszustand im Dendrit zu einem spröden Bruch des festen Elektrolyten führt“, sagte Zhang.

Die Ergebnisse könnten Entwickler von Batterien

Die Ergebnisse könnten Entwickler von Batterien dabei helfen, Festkörperzellen zu entwerfen, die widerstandsfähiger gegen Rissbildung und Kurzschlüsse sind.

Zu den derzeit untersuchten möglichen Lösungen gehören zähere feste Elektrolyte, die Spannungen besser standhalten können, mikroskopische Hohlräume, die das Dendritwachstum umleiten, und Schutzbeschichtungen an Lithiumelektroden, um die Dendritbildung während des Ladevorgangs zu reduzieren.

Bei Erfolg könnten diese Änderungen die Einführung von Smartphones mit längerer Akkulaufzeit, sichereren Batterien und Elektrofahrzeugen mit größerer Reichweite beschleunigen. Festkörperbatterien waren jahrelang eine der am meisten beachteten Batterietechnologien, aber Probleme bei der Herstellung und Zuverlässigkeit haben die Markteinführung verzögert.

Das genaue Verständnis, warum Zellen versagen,

Das genaue Verständnis, warum Zellen versagen, gilt als kritischer Schritt hin zum kommerziellen Einsatz. Die Studie beleuchtet auch eine breitere Herausforderung in der Batteriewissenschaft: Selbst weiche Materialien können Schäden verursachen, wenn sich in begrenzten mikroskopischen Räumen Druck aufbaut.

Für Automobilhersteller und Elektronikhersteller, die im Wettlauf um die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien sind, bietet die Arbeit einen klareren Weg zur Lösung eines Problems, das hartnäckig schwierig geblieben ist. Die Forschung wurde im Journal Nature veröffentlicht.