Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien werden zur Stromversorgung vieler elektronischer Geräte in unserem täglichen Leben verwendet, von Laptops und Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos.Die heute auf dem Markt erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien basieren typischerweise auf einer flüssigen Lösung, einem sogenannten Elektrolyten, im Zentrum der Zelle.

Wenn die Batterie ein Gerät mit Strom versorgt, bewegen sich Lithiumionen vom negativ geladenen Ende, der Anode, durch den flüssigen Elektrolyten zum positiv geladenen Ende, der Kathode.Beim Aufladen der Batterie fließen die Ionen in die andere Richtung von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode.

Lithium-Ionen-Batterien, die auf flüssigen Elektrolyten basieren, weisen ein großes Sicherheitsrisiko auf: Sie können bei Überladung oder Kurzschluss in Brand geraten.Eine sicherere Alternative zu flüssigen Elektrolyten besteht darin, eine Batterie zu bauen, die einen festen Elektrolyten verwendet, um Lithiumionen zwischen Anode und Kathode zu transportieren.

Frühere Studien haben jedoch ergeben, dass ein Festelektrolyt zu kleinen metallischen Wucherungen, Dendriten genannt, führt, die sich beim Laden der Batterie auf der Anode ansammeln.Diese Dendriten schließen die Batterien bei niedrigen Strömen kurz und machen sie unbrauchbar.

Das Dendritenwachstum beginnt an kleinen Fehlstellen im Elektrolyten an der Grenze zwischen Elektrolyt und Anode.Wissenschaftler in Indien haben kürzlich einen Weg entdeckt, das Dendritenwachstum zu verlangsamen.Durch das Anbringen einer dünnen Metallschicht zwischen Elektrolyt und Anode können sie verhindern, dass Dendriten in die Anode hineinwachsen.

Die Wissenschaftler entschieden sich, Aluminium und Wolfram als mögliche Metalle zum Aufbau dieser dünnen Metallschicht zu untersuchen.Dies liegt daran, dass sich weder Aluminium noch Wolfram mit Lithium vermischen oder legieren.Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass dies die Wahrscheinlichkeit verringern würde, dass sich im Lithium Fehler bilden.Wenn das gewählte Metall mit Lithium legiert, könnten im Laufe der Zeit kleine Mengen Lithium in die Metallschicht gelangen.Dies würde eine Art Fehler im Lithium hinterlassen, einen sogenannten Hohlraum, in dem sich dann ein Dendrit bilden könnte.

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

Vor dem Testen der Batterien verwendeten die Wissenschaftler ein Hochleistungsmikroskop, ein sogenanntes Rasterelektronenmikroskop, um die Grenze zwischen Anode und Elektrolyt genau zu untersuchen.Sie sahen kleine Lücken und Löcher in der Probe ohne Metallschicht und stellten fest, dass diese Fehler wahrscheinlich Orte für das Wachstum von Dendriten sind.Sowohl die Batterien mit Aluminium- als auch Wolframschichten sahen glatt und durchgehend aus.

Im ersten Experiment wurde 24 Stunden lang ein konstanter elektrischer Strom durch jede Batterie geleitet.Die Batterie ohne Metallschicht hatte innerhalb der ersten 9 Stunden einen Kurzschluss und versagte, wahrscheinlich aufgrund von Dendritenwachstum.Bei diesem ersten Experiment versagten weder die Batterien mit Aluminium noch mit Wolfram.

Um festzustellen, welche Metallschicht das Dendritenwachstum besser stoppen konnte, wurde ein weiteres Experiment nur mit den Proben der Aluminium- und Wolframschicht durchgeführt.In diesem Experiment durchliefen die Batterien zyklisch steigende Stromdichten, beginnend mit dem Strom, der im vorherigen Experiment verwendet wurde, und steigerten sich bei jedem Schritt um einen kleinen Betrag.

Es wurde angenommen, dass die Stromdichte, bei der die Batterie kurzgeschlossen wurde, die kritische Stromdichte für das Dendritenwachstum war.Die Batterie mit Aluminiumschicht versagte bei dreifachem Anlaufstrom, die Batterie mit Wolframschicht versagte bei über fünffachem Anlaufstrom.Dieses Experiment zeigt, dass Wolfram Aluminium übertraf.

Auch hier verwendeten die Wissenschaftler ein Rasterelektronenmikroskop, um die Grenze zwischen Anode und Elektrolyt zu untersuchen.Sie stellten fest, dass sich bei zwei Dritteln der im vorherigen Experiment gemessenen kritischen Stromdichten Hohlräume in der Metallschicht zu bilden begannen.Bei einem Drittel der kritischen Stromdichte waren jedoch keine Hohlräume vorhanden.Dies bestätigte, dass die Bildung von Hohlräumen tatsächlich das Dendritenwachstum vorantreibt.

Anschließend führten die Wissenschaftler rechnerische Berechnungen durch, um zu verstehen, wie Lithium mit diesen Metallen interagiert, und nutzten dabei unser Wissen darüber, wie Wolfram und Aluminium auf Energie- und Temperaturänderungen reagieren.Sie zeigten, dass bei Aluminiumschichten bei der Wechselwirkung mit Lithium tatsächlich eine höhere Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Hohlräumen besteht.Die Verwendung dieser Berechnungen würde es einfacher machen, in Zukunft eine andere Art von Metall zum Testen auszuwählen.

Diese Studie hat gezeigt, dass Festelektrolytbatterien zuverlässiger sind, wenn zwischen Elektrolyt und Anode eine dünne Metallschicht hinzugefügt wird.Die Wissenschaftler zeigten auch, dass die Wahl eines Metalls gegenüber einem anderen, in diesem Fall Wolfram anstelle von Aluminium, die Lebensdauer von Batterien noch verlängern könnte.Die Verbesserung der Leistung dieser Batterietypen wird sie dem Ersatz der heute auf dem Markt erhältlichen leicht entflammbaren Flüssigelektrolytbatterien einen Schritt näher bringen.