Wissenschaftler von der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory haben die Ursache für Kurzschlüsse und Ausfälle bei der Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien mit festen Elektrolyten identifiziert. Diese Probleme resultieren aus mechanischer Belastung, besonders während des intensiven Ladevorgangs. Die Erkenntnisse dieser Forschung könnten maßgeblich die Zukunft der Elektroautos beeinflussen.

Elektroautos: Forscher ebnen Weg für neuartige Batterie

„Schon eine leichte Eindrückung, Biegung oder Verdrehung der Batterien kann dazu führen, dass sich nanoskopische Risse in den Materialien öffnen und Lithium in den Festelektrolyten eindringt, was zu einem Kurzschluss führt“, erklärt William Chueh, einer der Hauptautoren der Forschungsarbeit, die das Team im Fachjournal Nature Energy veröffentlichte. Auch Staub oder andere Verunreinigungen, die während der Herstellung eingebracht werden, können genug Strapazen erzeugen, um ein Versagen zu verursachen.

Das Problem des Versagens von Festelektrolyten ist gut dokumentiert, wobei die Theorien von unbeabsichtigtem Elektronenfluss bis hin zu verschiedenen Kräften reichen, die im Spiel sind. Energiedichte, schnell aufladbare, nicht entflammbare Lithium-Metall-Batterien mit langer Lebensdauer haben das Potenzial, die Haupthindernisse für die breite Nutzung von Elektroautos zu überwinden.

Beobachtungen in Echtzeit

Viele der heute führenden Festelektrolyte sind keramisch, was einen schnellen Transport der Lithiumionen ermöglicht und die beiden Elektroden, die die Energie speichern, physikalisch trennt. Außerdem sind sie feuerfest. Allerdings können Keramiken winzige Risse auf ihrer Oberfläche entwickeln, was die Forschenden in mehr als 60 Experimenten nachgewiesen haben. Beim schnellen Aufladen öffnen sich diese Risse, sodass Lithium eindringen und die Batterie kurzschließen kann.

Das Team brachte eine elektrische Sonde an einem Elektrolyten an, wodurch eine Miniaturbatterie entstand, und beobachteten die Schnellladung mit einem Elektronenmikroskop in Echtzeit. Dann setzte man einen Ionenstrahl als Skalpell ein, um zu verstehen, warum sich das Lithium an einigen Stellen auf der Keramikoberfläche sammelt und an anderen Stellen zu wühlen beginnt und einen Kurzschluss verursacht.

Grund für Kurzschlüsse identifiziert

Der Unterschied liegt im Druck. Wenn die elektrische Sonde in den keramischen Elektrolyten drückt und so die mechanischen Belastungen durch Eindrücken, Biegen und Verdrehen nachahmt, ist es wahrscheinlicher, dass die Batterie einen Kurzschluss erleidet.

Eine reale Festkörperbatterie besteht aus Schichten über Schichten von Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Blättern, die übereinander gestapelt sind. Der Elektrolyt trennt die Kathode von der Anode, während sich die Lithiumionen frei zwischen beiden bewegen können. Wenn sich Kathode und Anode berühren, kommt es zu einem Kurzschluss.

Grundstein für Batterien der Zukunft

Die Forschenden haben gezeigt, dass selbst eine kleine Biegung, Verdrehung oder ein Staubkorn unmerkliche Spalten verursachen kann, durch die das Lithium schließlich Kathode und Anode miteinander verbindet und die Batterie ausfällt.

Unter Berücksichtigung ihrer Erkenntnisse könnte man in Zukunft Batterien für Elektroautos konzipieren, die weit weniger fehleranfällig sind. Zudem könnte man ihre Ladezeiten drastisch verringern.

Quellen: „Mechanical regulation of lithium intrusion probability in garnet solid electrolytes“ (Nature Energy, 2023)

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