Dendriten gelten als die gefährlichsten Zerstörer von Lithiumbatterien – winzige Metallstrukturen, die Kurzschlüsse verursachen können. Im schlimmsten Fall brennen oder explodieren die Batterien dadurch. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat nun herausgefunden, dass sich solche Strukturen nicht nur an den Elektroden, sondern auch in polymerbasierten Elektrolyten bilden. Diese neue Erkenntnis ist entscheidend für die Stabilität künftiger Festkörperbatterien.
Lithium-Metall-Batterien zählen zu den Hoffnungsträgern der Energiespeicherung. Sie bieten deutlich mehr Energie auf weniger Raum – bei geringerem Gewicht. Doch ein Phänomen bremst ihre Entwicklung: winzige, nadelartige Metallstrukturen, sogenannte Dendriten, die aus Lithium bestehen. Sie können im Innern der Batterie unkontrolliert wachsen und verheerende Kurzschlüsse verursachen. Bislang galt die Verwendung von festen Elektrolyten, zu denen auch polymerbasierte Elektrolyte gehören, als eine Möglichkeit, um dieses Wachstum zu unterdrücken. Polymerbasierte Elektrolyte bieten mehr Stabilität und Sicherheit als flüssige Elektrolyte, weil sie nicht auslaufen oder sich entzünden können. Zudem trennen sie die Elektroden zuverlässig voneinander und verhindern so Kurzschlüsse.
Mit dem Nanofokus ins Batterieinnere blicken
Die Forscher nutzten für ihre Untersuchungen eine besonders exakte Methode: sogenannte Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuexperimente, die das Team am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg durchführte. Mit einem Röntgenstrahl von lediglich 350 Nanometern Durchmesser konnten sie erstmals die mikroskopischen Veränderungen im Inneren eines polymerbasierten Elektrolyten während des Batteriebetriebs sichtbar machen. Sie verwendeten dafür eine eigens entwickelte Miniaturzelle, in der sich die Batterie unter realen Bedingungen beobachten lässt.
