Eine bahnbrechende Studie unter der Leitung der Universität Oxford hat die Versagensmechanismen von Lithium-Metall-Festkörperbatterien (Li-SSBs) enthüllt. Das könnte zu revolutionären Fortschritten in den Bereichen Elektroautos und Luftfahrt führen. Li-SSBs unterscheiden sich von herkömmlichen Batterien durch ihre festen Elektrolyten und ihre Lithium-Metall-Anode. Diese Kombination bietet mehr Sicherheit und eine höhere Energiespeicherkapazität.

Elektroautos: Studie geht großes Problem an

Die Studie war Teil des SOLBAT-Projekts der Faraday Institution, das darauf abzielt, das Verständnis der Bildung und des Wachstums von Dendriten zu vertiefen. Zu diesem Zweck nutzte das Oxford-Team die fortschrittliche Bildgebungstechnik der Röntgen-Computertomographie an der Diamond Light Source. Dies ermöglichte es ihnen, die Dendritenaktivität innerhalb der Batterie während des Ladevorgangs genau zu beobachten.

Bei Dendriten handelt es sich um kleine, verzweigte Strukturen aus Metall, die während des Ladevorgangs entstehen können. Diese Strukturen wachsen von der Anode (negativen Elektrode) der Batterie aus und können dazu führen, dass die Batterie kurzgeschlossen wird, wenn sie die Kathode (positive Elektrode) erreichen.

Die hochauflösende Bildgebungsstudie enthüllte, dass die Entstehung und das Fortschreiten von Dendritenrissen separate Prozesse sind, die durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden. Risse bilden sich, wenn Lithium die Poren unter der Oberfläche der Batterie eines Elektroautos füllt. Wenn diese Poren ihre volle Kapazität erreichen, erhöht sich bei weiterer Aufladung der Innendruck, was zur Bildung von Rissen führt.

Neue Technologie hat Potenzial, „den Markt zu verändern“

Die Ausbreitung dieser Risse ist dagegen ein eigenständiger Prozess. Er tritt auf, wenn das Lithium den Riss nur teilweise füllt und einen Keilöffnungsmechanismus auslöst, der den Riss dazu zwingt, sich von hinten zu öffnen. Dieses differenzierte Verständnis der Bildung und des Wachstums von Dendriten könnte bei der Entwicklung von Strategien zur Entschärfung der mit Li-SSBs verbundenen Probleme helfen.

Dominic Melvin, ein Mitautor der Studie und Doktorand am Fachbereich für Werkstoffe der Universität Oxford, wies auf die Auswirkungen der Ergebnisse hin. „Während die heutigen Lithium-Ionen-Batterien weiter verbessert werden, hat die Erforschung von Festkörperbatterien das Potenzial, sich als lohnende Technologie zu erweisen und den Markt zu verändern“, zitierte SciTechDaily.

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Chancen für Straßen- und Luftverkehr

Prognosen der Faraday Institution gehen davon aus, dass SSB bis 2040 bis zu 50 Prozent des weltweiten Bedarfs an Batterien in der Unterhaltungselektronik, 30 Prozent bei Elektroautos und über 10 Prozent in der Luftfahrt decken könnten. Die aus dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse sind ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Erreichung dieser Ziele und liefern den Herstellern von Batteriezellen wertvolles Wissen, um Zellausfälle zu vermeiden und weitere Fortschritte in der Batterietechnologie zu erzielen.

„Die SOLBAT-Forscher entwickeln weiterhin ein mechanistisches Verständnis des Versagens von Festkörperbatterien – eine Hürde, die überwunden werden muss, bevor Hochleistungsbatterien mit kommerziell relevanter Leistung für Automobilanwendungen realisiert werden können“, erklärte Professorin Pam Thomas, CEO der Faraday Institution.

„Das Projekt liefert Informationen über Strategien, die Zellhersteller einsetzen könnten, um Zellausfälle bei dieser Technologie zu vermeiden. Diese anwendungsorientierte Forschung ist ein hervorragendes Beispiel für die Art von wissenschaftlichen Fortschritten, für die die Faraday Institution gegründet wurde.“

Pam Thomas

Quellen: „Dendrite initiation and propagation in lithium metal solid-state batteries“ (Nature, 2023); The Faraday Institution; SciTechDaily

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