Kurzschlüsse in Festkörperbatterien: Ursache endlich bewiesen

Max-Planck-Forscher haben den Dendrit-Mechanismus mit Kryo-Elektronenmikroskopie aufgeklärt

24.04.2026

Anzeigen

GC-Detektor für Fluor- und Schwefelverbindungen

AQ700 Diskreter Analysator - automatisierte photometrische Analyse - flexibel und zuverlässig!

Digitale Messmikroskope für 3D-Messungen und anspruchsvolle Partikelanalysen

Smartphones, Elektrofahrzeuge und viele tragbare Geräte sind auf Batterien angewiesen. Ihre Energiespeicherkapazität, Lebensdauer und Sicherheit werden die Zukunft der Elektrifizierung stark beeinflussen. Zu den vielversprechendsten Technologien der nächsten Generation gehören Festkörperbatterien. Diese Batterien würden es ermöglichen, Smartphones mehrere Tage lang zu betreiben, anstatt sie täglich aufzuladen, und Elektrofahrzeuge mit einem Drittel der heutigen Reichweite zu betreiben.

Im Gegensatz zu den heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien, bei denen ein flüssiger Elektrolyt zwischen zwei festen Elektroden eingesetzt wird, verwenden Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten. Dieses Design kann die Energiedichte erhöhen, die Sicherheit verbessern und die Lebensdauer der Batterie verlängern. Eine große Herausforderung schränkt ihre kommerzielle Nutzung jedoch noch ein. Während des Ladevorgangs bilden sich mikroskopisch kleine Einschlüsse, so genannte Dendriten. Diese winzigen baumartigen Strukturen wachsen aus der Anode heraus, durchdringen den Festelektrolyten und verursachen Kurzschlüsse im Inneren der Batterie.

Ein interdisziplinäres Team des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien hat nun herausgefunden, wie Dendriten zu Brüchen und damit zu Kurzschlüssen führen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature.

Röntgenbildgebung liefert Hinweise auf Brüche in Festkörperbatterien

News lesen

Was verursacht Dendriten-induzierte Risse in Festkörperbatterien?

Die Dendritenbildung in Festkörperbatterien ist ein kontraintuitives Phänomen. "Obwohl die Elektroden und die sich bildenden Dendriten aus Lithiummetall bestehen, das weich wie ein Gummibärchen ist, sind die Dendriten in der Lage, den keramischen Elektrolyten zu durchdringen und zu einem Kurzschluss zu führen", sagt Dr. Yuwei Zhang, Erstautor der neuen Publikation und Leiter der Gruppe "Chemomechanik von Batteriematerialien" am Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien. "Wie können weiche Dendriten die steife Vollkeramik zerbrechen? Es gibt zwei Hypothesen: Entweder baut sich im Inneren der Dendriten eine innere Spannung auf, die zu einem mechanischen Bruch des Festelektrolyten führt. Oder die Elektronen entweichen entlang der Korngrenzen des Festelektrolyten und fördern die Bildung von Lithiumkernen, die sich später miteinander verbinden.

Um eine der beiden Hypothesen zu beweisen, verwendeten die Forscher einen komplexen Aufbau von Probenpräparations- und Materialcharakterisierungstechniken, die vollständig im Vakuum und bei kryogenen Temperaturen durchgeführt wurden, um jeglichen Einfluss von Sauerstoff, Wasser oder dem Elektronenstrahl der Mikroskope auszuschließen.

Das Max-Planck-Team analysierte den Spannungszustand und die plastische Aktivität der in den Rissen eingeschlossenen Lithium-Dendriten und konnte zeigen, dass sich vor der Dendritenspitze kein Lithium anreichert. "Das weiche Lithium-Metall ist in der Lage, den steifen keramischen Elektrolyten zu durchdringen, wie ein kontinuierlicher Wasserstrahl, der in ein Gestein eindringt. Wir haben berechnet, dass die hydrostatische Spannung im Dendriten letztlich zum Sprödbruch des festen Elektrolyten führt", sagt Zhang. Zusätzliche Phasenfeldsimulationen und Elektronenrückstreuungsmessungen untermauerten ihre Ergebnisse.

Mögliche Wege zur Verhinderung oder Verzögerung von dendriteninduzierter Rissbildung

Nachdem die Forscher herausgefunden haben, wie es zur dendriteninduzierten Rissbildung kommt, untersuchen sie nun Strategien, um diese zu verhindern. Zu den möglichen Ansätzen gehören die Erhöhung der Zähigkeit des Festelektrolyten, um die Rissbildung zu verzögern, die Einführung mikroskopischer Hohlräume, die das Dendritenwachstum umleiten und Risse ablenken, oder das Aufbringen von Schutzschichten auf die Lithiumelektroden, um die Dendritenbildung zu unterdrücken.

Diese Ergebnisse machen deutlich, wie wichtig ein grundlegendes Verständnis des Materialverhaltens ist, um vielversprechende Technologien in praktische, reale Anwendungen umzusetzen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Y. Zhang, S. Motahari, E.V. Woods, S. Zaefferer, P. Schweizer, Z. Zhang, Y. Liu, B. Gault, F. Roters, D. Raabe, C. Scheu, Y. Joshi, S. Zhang, C. Liu, G. Dehm: Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte. In: Nature

https://www.chemie.de/news/1188571/kurzschluesse-in-festkoerperbatterien-ursache-endlich-bewiesen.html