Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) in Düsseldorf hat den physikalischen Mechanismus entschlüsselt, der Feststoffbatterien bislang von der Marktreife fernhält. Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass feine Lithium-Auswüchse – sogenannte Dendrite – den keramischen Elektrolyten durch rein mechanischen Druck aufsprengen, ähnlich wie Wasser, das in Felsritzen gefriert und das Gestein zerbricht. Die Ergebnisse widerlegen eine konkurrierende Hypothese und eröffnen konkrete Ansätze, um die Kurzschluss-Problematik zu überwinden.
Das Versprechen der Feststoffbatterie
Feststoffbatterien gelten als nächster großer Sprung in der Batterietechnologie. Anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, bei denen Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten wandern, setzen sie auf einen festen, keramischen Elektrolyten. Das verspricht eine höhere Energiedichte, mehr Sicherheit – flüssige Elektrolyte sind brennbar – und theoretisch eine längere Lebensdauer. Elektroautos könnten damit deutlich größere Reichweiten erzielen. Doch in der Praxis scheitert die Technologie an einem hartnäckigen Problem: Beim Aufladen wachsen vom Minuspol aus mikroskopisch feine, baumartige Verzweigungen aus Lithiummetall – die Dendrite. Sie durchdringen den festen Elektrolyten, erreichen den Pluspol und verursachen einen Kurzschluss, der die Batterie zerstört. Bislang war unklar, wie genau dieser Prozess abläuft.
Weiches Metall bricht harte Keramik
Das Team um Forschungsgruppenleiter Yuwei Zhang untersuchte zwei konkurrierende Hypothesen: Entweder baut sich in den Dendriten mechanischer Druck auf, der Risse im Elektrolyten erzeugt. Oder Elektronen wandern entlang der Korngrenzen des keramischen Materials und fördern dort die Bildung isolierter Lithiumkeime, die später zusammenwachsen. Mittels kryogener Elektronenmikroskopie bei Temperaturen unter minus 150 Grad Celsius und unter Vakuumbedingungen analysierten die Forschenden die Dendritspitzen mit bislang unerreichter Präzision. Das Ergebnis ist eindeutig: „Das weiche Lithiummetall durchdringt den harten keramischen Elektrolyten, weil sich in einem Dendriten, der in einem Riss eingeschlossen ist, ein Druck aufbaut“, erklärt Zhang. Dieser hydrostatische Druck erzeuge Spannungen im Elektrolyten, die sich durch Rissbildung entladen – woraufhin der Dendrit weiterwächst. Für die alternative Hypothese isolierter Lithiumkeime fanden die Forscher dagegen keinen Beleg. Vor der Spitze der Dendrite ließ sich unter praxisnahen Batterie-Betriebsbedingungen keinerlei Lithium-Anreicherung nachweisen – weder an Korngrenzen noch an sogenannten Tripelpunkten, die als besonders anfällig galten.
Drei Wege zur dendritresistenten Batterie
Aus den Erkenntnissen leitet das Team drei konkrete Strategien ab, um die Lebensdauer von Feststoffbatterien zu verlängern: Erstens könnten festere Elektrolytkeramiken dem Lithium das Aufsprengen von Rissen erschweren. Die Studie zeigt, dass die Bruchenergie entlang der Korngrenzen drei- bis fünffach geringer ist als im Inneren der Kristallite – eine gezielte Dotierung könnte die Korngrenzen widerstandsfähiger machen. Zweitens ließen sich Schutzbeschichtungen auf den Lithiumelektroden aufbringen, die die Dendritenbildung von vornherein unterdrücken. Drittens – und das ist der experimentell bereits bestätigte Ansatz – könnten gezielt eingebrachte, quer verlaufende Hohlräume oder Kanäle die wachsenden Dendrite umlenken, sodass sie den Pluspol nicht erreichen. In einem Laborexperiment erzeugten die Forscher mittels Vickers-Härteeindrücken Mikrorisse im Elektrolyten. Als ein Lithium-Dendrit auf diese Hindernisse traf, wurde er um etwa 45 Grad abgelenkt und folgte dem vorgezeichneten Risspfad – ohne Kurzschluss.
Grundlagenforschung mit industrieller Perspektive
Die Arbeiten sind zunächst Grundlagenforschung. „Nur so lassen sich vielversprechende Entwicklungen wie Festkörperbatterien aus dem Labor in die industrielle Anwendung überführen“, betont Zhang. Die Studie liefert dafür eine entscheidende Voraussetzung: Statt im Blindflug nach Lösungen zu suchen, wissen Forscher und Industrie nun, an welcher Stelle sie ansetzen müssen. Die Ergebnisse dürften auch bei Automobilherstellern und Batterieproduzenten auf Interesse stoßen. Unternehmen wie Toyota, Samsung SDI, QuantumScape und BMW arbeiten seit Jahren an der Kommerzialisierung von Feststoffbatterien, ohne den Durchbruch erzielt zu haben. Die neue Studie zeigt einen Weg auf, wie sich das zentrale Hindernis – die Kurzschlussanfälligkeit durch Dendrite – überwinden ließe. Bis zur Serienreife dürfte es dennoch Jahre dauern: Die vorgeschlagenen Lösungen müssen nun in größeren Zellformaten und unter realitätsnahen Bedingungen erprobt werden.