Ob E-Auto, To hand oder Akkuschrauber: Viele Geräte des täglichen Gebrauchs nutzen mittlerweile Akkus. Allerdings hat der Development auch seine Schattenseiten. So wurden beispielsweise bestimmte Handys für die Mitnahme in Flugzeugen verboten oder E-Vehicles fingen Feuer. Moderne handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien sind empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung.
Abhilfe könnten sogenannte „Forged-State-Batterien“ schaffen. Diese enthalten keinen flüssigen Kern mehr – den sogenannten Elektrolyten – sondern bestehen vollständig aus festem Subject matter, zB Ionenleiter aus Keramik. Dadurch sind sie mechanisch powerful, nicht brennbar, leicht zu miniaturisieren und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
Doch Feststoffbatterien zeigen nach mehreren Lade- und Entladezyklen ihre Probleme: Während Plus- und Minuspol der Batterie zu Beginn noch elektrisch voneinander getrennt sind, werden sie schließlich durch batterieinterne Prozesse elektrisch miteinander verbunden: „Lithium Dendriten“ wachsen langsam in der Batterie. Diese Lithium-Dendriten wachsen Schritt für Schritt bei jedem Ladevorgang, bis die beiden Pole verbunden sind. Die Folge: Die Batterie wird kurzgeschlossen und „stirbt“. Bisher sind die genauen physikalischen Vorgänge, die dabei ablaufen, jedoch noch nicht intestine verstanden.
Ein Workforce um Rüdiger Berger aus der Abteilung von Hans-Jürgen Butt hat sich nun dem Drawback angenommen und die Vorgänge mit einem speziellen Mikroskopieverfahren genauer untersucht. Sie gingen der Frage nach, wo die Lithium-Dendriten zu wachsen beginnen. Ist es wie in einer Tropfsteinhöhle, wo Stalaktiten von der Decke und Stalagmiten vom Boden wachsen, bis sie sich in der Mitte vereinen und ein sogenanntes „Stalagnat“ bilden? Bei einer Batterie gibt es kein Oben und Unten – aber wachsen Dendriten vom Minus- zum Pluspol oder vom Plus- zum Minuspol? Oder wachsen sie gleichermaßen von beiden Polen? Oder gibt es spezielle Stellen in der Batterie, die zur Keimbildung und von dort aus zu dendritischem Wachstum führen?
Das Workforce von Rüdiger Berger befasste sich insbesondere mit sogenannten „Korngrenzen“ im keramischen Festelektrolyten. Diese Grenzen entstehen bei der Herstellung der Festkörperschicht: Die Atome in den Kristallen der Keramik sind grundsätzlich sehr regelmäßig angeordnet. Durch kleine, zufällige Schwankungen im Kristallwachstum entstehen jedoch linienartige Strukturen, wo die Atome unregelmäßig angeordnet sind – eine sogenannte „Korngrenze“.
Sichtbar werden diese Korngrenzen mit ihrer Mikroskopiemethode „Kelvin Probe Pressure Microscopy“, bei der die Oberfläche mit einer scharfen Spitze abgetastet wird. Chao Zhu, Doktorand bei Rüdiger Berger, sagt: „Ist die Festkörperbatterie geladen, sieht die Kelvin-Sondenkraftmikroskopie, dass sich Elektronen entlang der Korngrenzen ansammeln – vor allem in der Nähe des Minuspols.“ Letzteres weist darauf hin, dass die Korngrenze nicht nur die Anordnung der Atome der Keramik verändert, sondern auch deren elektronische Struktur.
Durch die Ansammlung von Elektronen – additionally negativen Teilchen – können positiv geladene Lithium-Ionen, die im Festelektrolyten wandern, zu metallischem Lithium reduziert werden. Die Folge: Lithiumablagerungen und Lithiumdendriten bilden sich. Wird der Ladevorgang wiederholt, wächst der Dendrit weiter, bis schließlich die Pole der Batterie verbunden sind. Die Bildung solcher Anfangsstadien für Dendritenwachstum wurde nur am Minuspol beobachtet – auch nur an diesem Pol beobachtet. Am entgegengesetzten positiven Pol wurde kein Wachstum beobachtet.
Die Wissenschaftler hoffen, dass sie mit einem genauen Verständnis der Wachstumsvorgänge auch effektive Wege entwickeln können, um das Wachstum am Minuspol zu verhindern oder zumindest zu begrenzen, damit künftig auch die sichereren Lithium-Festkörperbatterien eingesetzt werden können bei Breitbandanwendungen.