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Wie Lithium-Ionen-Akkus sicherer werden

| Redakteur: Thomas Kuther

Ein wachsender Dendrit aus Lithium: Lichtmikroskopische Aufnahme während der elektrochemischen Abscheidung des Metalls aus einer Elektrolytlösung.
Ein wachsender Dendrit aus Lithium: Lichtmikroskopische Aufnahme während der elektrochemischen Abscheidung des Metalls aus einer Elektrolytlösung. (Bild: Mönig/Kramer, HIU/KIT)

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Wissenschaftler an der Universität Ulm haben Designprinzipien erarbeitet, die Lithium-Ionen-Akkus in Zukunft sicherer machen können.

In Flammen stehende Laptops oder Smartphones sind oft auf so genannte Dendriten in Batterien zurückzuführen. Diese astartigen Auswüchse an der negativen Elektrode (Anode) können Kurzschlüsse auslösen, die zum Batteriebrand führen. Warum die häufig in mobilen Endgeräten eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus zur Dendritenbildung neigen, magnesiumbasierte Batterien jedoch zum Beispiel nicht, haben Ulmer Forscher um Professor Axel Groß und Markus Jäckle untersucht.

Anhand von Simulationen an Supercomputern konnten sie erstmals Metalleigenschaften identifizieren, die das Dendritenwachstum beeinflussen. Auf dieser Basis lassen sich Designempfehlungen formulieren, die bei der Entwicklung zuverlässiger neuer Speichersysteme helfen – nicht nur für Smartphones und Laptops, sondern auch im Hinblick auf globale Herausforderungen wie die Energiewende und die zunehmende Elektromobilität. Die Ergebnisse der Forschergruppe sind in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ erschienen.

Schematische Darstellung des Dendritenwachstums in Batterien. Links: Glatte Anodenoberfläche und daher keine Dendritenbildung. Rechts: Raue Anodenoberfläche mit Dendritenbildung und dem Gefahr eines Batteriebrands.
Schematische Darstellung des Dendritenwachstums in Batterien. Links: Glatte Anodenoberfläche und daher keine Dendritenbildung. Rechts: Raue Anodenoberfläche mit Dendritenbildung und dem Gefahr eines Batteriebrands. (Bild: Gabriele Stautner)

Dendriten können Kurzschlüsse im Akku verursachen

Sicherheitsrisiko Smartphone: Vor einiger Zeit haben explodierende Akkus von Samsung Schlagzeilen gemacht. Solche Kurzschlüsse werden oft durch Dendriten verursacht, die beim Wiederaufladen der Batterie zu einem Materialverlust an der Anodenseite führen. Das Sicherheitsrisiko geht aber vor allem von Kurzschlüssen aus, bei denen in kurzer Zeit viel Energie frei wird, und die im Zusammenspiel mit entflammbaren Elektrolyten eben jene Batteriebrände auslösen.

Metalleigenschaften bedingen Dendriten-Wachstum

Bisher glauben viele Forschergruppen, dass die Zusammensetzung der Oberflächenschicht auf der negativen Elektrode und des Elektrolyten ursächlich für die Dendritenbildung ist. Allerdings deuten neue experimentelle Forschungsergebnisse aus dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) – einer gemeinsamen Einrichtung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Ulm und ihrer Partner – in eine andere Richtung: Demnach scheint eine dem Metall innenwohnende Eigenschaft die astartigen Auswüchse zu bedingen. Dabei haben die Autoren die so genannten Selbstdiffusionsbarrieren verschiedener Metalle im Blick, die in Akkus verwendet werden. Diese Barrieren sind dafür verantwortlich, wie gleichmäßig sich Metallatome beim Wiederaufladen der Batterie, nach der Abscheidung, auf der Anodenoberfläche verteilen.

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Indikator für Dendritenwachstum gesucht

„Wir haben uns gefragt, ob es eine einfache physikalisch-chemische Materialeigenschaft, einen so genannten Deskriptor gibt, mit dessen Hilfe man vorhersagen kann, ob metallische Anoden in Batterien zum Dendritenwachstum neigen. Dabei sind wir davon ausgegangen, dass die Beschaffenheit der Anoden-Oberfläche, ob rau oder glatt, einen erheblichen Einfluss auf die Dendritenbildung hat“, sagt Professor Axel Groß, Leiter des Instituts für Theoretische Chemie an der Uni Ulm sowie Gruppenleiter am HIU. Ein solcher Deskriptor wäre hochrelevant, denn weltweit suchen Forschende nach zuverlässigen Nachfolgesystemen für Lithium-Ionen-Batterien. Alternativen zum immer seltener werdenden Lithium, das in Energiespeichern meist in Kombination mit dem ebenfalls kritischen Übergangsmetall Kobalt verwendet wird, reichen von Aluminium, Natrium und Magnesium bis zu Zink.

Simulationen bestätigen Forschungsdaten

Für ihre Publikation haben die Wissenschaftler um Professor Axel Groß Forschungsergebnisse aus Theorie sowie Experiment kombiniert: Anhand von Simulationen konnten sie die experimentellen Daten aus dem HIU und von anderen Einrichtungen im Detail nachvollziehen. Mithilfe der Supercomputer JUSTUS (Ulm) und SUPERMUC aus dem Leibniz-Rechenzentrum in München berechnete die Gruppe Diffusionsbarrieren und Eigenschaften unterschiedlicher, in Batterien verwendeter Materialien auf atomarer Ebene.

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Selbstdiffusionsbarrieren spielen eine wichtige Rolle

Die Ergebnisse ihrer Berechnungen bestätigen die wichtige Rolle der Selbstdiffusionsbarrieren: Beim Wiederaufladen der Batterie, nach dem Abscheiden, verteilen sich Metallatome äußerst gleichmäßig, wenn die Diffusionsbarrieren niedrig sind. Entsprechende Materialien, beispielsweise Magnesium oder Aluminium, zeigen dadurch kein Dendritenwachstum. Im Fall von hohen Diffusionsbarrieren wie bei Lithium- und Natrium-Speichern bilden sich jedoch raue Oberflächen, die nadelartige, dendritische Strukturen begünstigen. Demnach erlaubt die Höhe der Diffusionsbarrieren als Deskriptor Vorhersagen darüber, ob metallische Anoden in Batterien zu Dendritenwachstum neigen oder nicht.

Wichtige Hinweise für die Batterieentwicklung

Aus dem Beitrag der Forschenden lässt sich zwar noch keine vollständige Theorie des Dendritenwachstums ableiten, wohl aber Designprinzipien für sichere Batterien.

„Unsere Ergebnisse lassen erwarten, dass wir Dendritenwachstum durch eine Verringerung der Höhe von Selbstdiffusionsbarrieren gezielt verhindern können. Dies gelingt zum Beispiel durch die Modifikation der Anoden-Oberfläche. Eine andere Möglichkeit wäre es, von vornherein Anodenmaterialien mit niedrigen Selbstdiffusionsbarrieren auszuwählen, die aufgrund dieser Eigenschaft nicht zur Dendritenbildung neigen“, erklärt Erstautor und HIU-Doktorand Markus Jäckle.

Auch Nachwuchsforscher haben mitgearbeitet

Das Forschungsvorhaben ist im Zuge der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe) entstanden, die von der Universität Ulm, dem KIT und dem Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) betrieben wird. Bei den Berechnungen wurden die Forschenden durch das Programm „High Performance Computing in Baden-Württemberg“ (bwHPC) und das Gauss Center for Supercomputing unterstützt. Die Besonderheit: An dem aktuellen Projekt haben nicht nur etablierte Professoren mitgewirkt, sondern bereits Nachwuchsforscher – von Bachelorstudierenden bis zu Doktoranden.

BUCHTIPP Auf dem Stand der aktuellen Technik vermittelt das Fachbuch „Akkuwelt“ das Basiswissen zur Batterie-Technologie und bietet einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien. Außerdem gibt das Buch einen Einblick in potenzielle und zukünftige Entwicklungstendenzen.

Sieben spannende Entwicklungen rund um Batterien und Akkus

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Schwesternportal Elektronikpraxis.de.

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