Neue Erkenntnisse zur Dendritenbildung Wie sich Kurzschlüsse in Lithium-Batterien vermeiden lassen

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Wissenschaftler der Technischen Universität München haben einen bislang unbekannten Mechanismus entdeckt, der für gefährliche Kurzschlüsse in Lithium-Batterien verantwortlich sein kann. Demnach entstehen die gefürchteten Lithium-Dendriten nicht nur an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt, sondern auch direkt im Inneren des Elektrolyts.

Lithium-Metall-Batterien gelten als nächste Generation leistungsfähiger Energiespeicher. Im Vergleich zu alltäglichen Lithium-Ionen-Batterien besitzen sie eine deutlich höhere Energiedichte. Doch der Einsatz birgt Gefahren. Beim Laden und Entladen können sich feine, nadelförmige Strukturen aus metallischem Lithium – sogenannte Dendriten – bilden. Diese können durch das Elektrolyt wachsen und bei Kontakt mit der Gegenelektrode Kurzschlüsse verursachen. Das Ergebnis sind Überhitzung, Brände oder gar Explosionen.

Bisher galt die Annahme, dass feste und insbesondere polymerbasierte Elektrolyte diese Dendritenbildung weitgehend verhindern, da sie mechanisch stabiler sind als flüssige Elektrolyte. Die neuen Untersuchungen zeigen jedoch, dass diese Sicherheit trügerisch sein kann.

Unerwartete Kristallbildung im festen Elektrolyt

Mit Hilfe einer besonders präzisen Analyse gelang es dem Forschungsteam, das Innere eines polymerbasierten Elektrolyts während des Batteriebetriebs zu untersuchen. Zum Einsatz kam dabei Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuung, eine Methode, bei der ein extrem feiner Röntgenstrahl mikroskopische Strukturen sichtbar macht. So konnte erstmals beobachtet werden, dass sich Dendriten auch innerhalb des Elektrolyts selbst bilden – also dort, wo bislang keine Gefahr vermutet wurde.

Die Entstehung dieser inneren Kristallstrukturen deutet darauf hin, dass chemische und mechanische Instabilitäten im Material selbst den Prozess begünstigen. Damit ist klar: Nicht nur die Grenzfläche, sondern auch das Elektrolytvolumen muss in der Batterieforschung stärker in den Fokus rücken.

Konsequenzen für Materialentwicklung und Sicherheit

Diese Erkenntnisse haben weitreichende Bedeutung für die Entwicklung künftiger Energiespeicher. Um Kurzschlüsse effektiv zu verhindern, reicht es nicht aus, die Oberfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt zu stabilisieren. Auch die Mikrostruktur und chemische Zusammensetzung des Elektrolyts müssen so gestaltet werden, dass sie keine Dendritenbildung im Inneren zulassen.

Für die Materialforschung bedeutet das einen Paradigmenwechsel: Statt ausschließlich auf hohe Ionentransportfähigkeit und mechanische Festigkeit zu achten, müssen künftige Elektrolyte eine gezielte Dendritenbarriere auch in ihrem Inneren bieten.

Perspektiven für die Batterietechnik der Zukunft

Die Arbeit der Münchner Forschenden liefert damit einen entscheidenden Impuls für die Weiterentwicklung von Festkörperbatterien. Sie zeigt, dass Sicherheit und Energiedichte keine Gegensätze sein müssen. Vorausgesetzt, die Materialarchitektur wird verstanden und gezielt angepasst.

Langfristig könnten die gewonnenen Erkenntnisse helfen, Lithium-Metall-Batterien zu entwickeln, die zuverlässig und sicher arbeiten. Die Forschung markiert somit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer neuen Generation leistungsfähiger und sicherer Batterien, die den steigenden Anforderungen moderner Energiesysteme gerecht werden. (mr)

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