Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus versorgen viele elektronische Geräte unseres Alltags mit Strom, von Laptops und Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos. Die heute erhältlichen Lithium-Ionen-Akkus basieren typischerweise auf einer flüssigen Lösung, dem sogenannten Elektrolyten, im Inneren der Zelle.

Wenn die Batterie ein Gerät mit Strom versorgt, wandern Lithium-Ionen vom negativ geladenen Ende (Anode) durch den flüssigen Elektrolyten zum positiv geladenen Ende (Kathode). Beim Aufladen der Batterie fließen die Ionen in umgekehrter Richtung, von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode.

Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen Elektrolyten bergen ein erhebliches Sicherheitsrisiko: Sie können bei Überladung oder Kurzschluss Feuer fangen. Eine sicherere Alternative sind Akkus mit einem festen Elektrolyten, der die Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode transportiert.

Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass ein fester Elektrolyt zur Bildung kleiner metallischer Auswüchse, sogenannter Dendriten, an der Anode während des Ladevorgangs führt. Diese Dendriten verursachen bei niedrigen Strömen Kurzschlüsse und machen die Batterien somit unbrauchbar.

Dendritenwachstum beginnt an kleinsten Defekten im Elektrolyten an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode. Wissenschaftler in Indien haben kürzlich eine Methode entdeckt, um das Dendritenwachstum zu verlangsamen. Durch das Aufbringen einer dünnen Metallschicht zwischen Elektrolyt und Anode können sie verhindern, dass Dendriten in die Anode hineinwachsen.

Die Wissenschaftler untersuchten Aluminium und Wolfram als mögliche Metalle für den Aufbau dieser dünnen Metallschicht. Der Grund dafür ist, dass sich weder Aluminium noch Wolfram mit Lithium mischen oder legieren. Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass dies die Wahrscheinlichkeit von Defekten im Lithium verringern würde. Würde sich das gewählte Metall mit Lithium legieren, könnten mit der Zeit geringe Mengen Lithium in die Metallschicht eindringen. Dies würde zu einer Art Defekt im Lithium führen, in dem sich Dendriten bilden könnten.

Um die Wirksamkeit der Metallschicht zu testen, wurden drei Arten von Batterien hergestellt: eine mit einer dünnen Aluminiumschicht zwischen Lithiumanode und Festelektrolyt, eine mit einer dünnen Wolframschicht und eine ohne Metallschicht.

Vor den Batterietests untersuchten die Wissenschaftler die Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops. Sie entdeckten kleine Lücken und Löcher in der Probe ohne Metallschicht und stellten fest, dass diese Defekte wahrscheinlich Ausgangspunkte für Dendritenwachstum darstellen. Die Batterien mit Aluminium- bzw. Wolframschichten wiesen hingegen eine glatte und durchgehende Oberfläche auf.

Im ersten Experiment wurde 24 Stunden lang ein konstanter elektrischer Strom durch jede Batterie geleitet. Die Batterie ohne Metallschicht erlitt innerhalb der ersten neun Stunden einen Kurzschluss und fiel aus, vermutlich aufgrund von Dendritenbildung. Die Batterien mit Aluminium bzw. Wolfram funktionierten in diesem ersten Experiment einwandfrei.

Um zu ermitteln, welche Metallschicht das Dendritenwachstum besser hemmt, wurde ein weiteres Experiment nur mit den Aluminium- und Wolframschichten durchgeführt. In diesem Experiment wurden die Batterien mit steigenden Stromdichten zyklisch belastet, beginnend mit dem Strom des vorherigen Experiments und schrittweiser Erhöhung.

Die Stromdichte, bei der die Batterie einen Kurzschluss erlitt, galt als kritische Stromdichte für das Dendritenwachstum. Die Batterie mit einer Aluminiumschicht versagte beim Dreifachen des Anlaufstroms, die Batterie mit einer Wolframschicht hingegen erst beim Fünffachen. Dieses Experiment belegt die Überlegenheit von Wolfram gegenüber Aluminium.

Die Wissenschaftler untersuchten die Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt erneut mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops. Dabei stellten sie fest, dass sich bei zwei Dritteln der im vorherigen Experiment gemessenen kritischen Stromdichte Hohlräume in der Metallschicht bildeten. Bei einem Drittel der kritischen Stromdichte waren jedoch keine Hohlräume vorhanden. Dies bestätigte, dass die Hohlraumbildung dem Dendritenwachstum vorausgeht.

Die Wissenschaftler führten anschließend computergestützte Berechnungen durch, um die Wechselwirkung von Lithium mit diesen Metallen zu verstehen. Dabei nutzten sie Erkenntnisse über das Verhalten von Wolfram und Aluminium bei Energie- und Temperaturänderungen. Sie zeigten, dass Aluminiumschichten bei der Wechselwirkung mit Lithium tatsächlich eine höhere Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Hohlräumen aufweisen. Mithilfe dieser Berechnungen lässt sich zukünftig leichter ein anderes Metall für weitere Tests auswählen.

Diese Studie hat gezeigt, dass Festelektrolytbatterien zuverlässiger sind, wenn eine dünne Metallschicht zwischen Elektrolyt und Anode eingefügt wird. Die Wissenschaftler demonstrierten außerdem, dass die Wahl eines bestimmten Metalls – in diesem Fall Wolfram statt Aluminium – die Lebensdauer der Batterien weiter verlängern kann. Die Verbesserung der Leistung dieser Batterietypen bringt sie dem Ziel, die heute auf dem Markt befindlichen, leicht entzündlichen Flüssigelektrolytbatterien zu ersetzen, einen Schritt näher.