Eine neue Studie der Harvard-Universität, die in Nature Materials veröffentlicht wurde, beschreibt einen neuen Weg zur Herstellung von Festkörperbatterien mit einer Lithium-Metall-Anode. Die Methode vermeidet die Dendriten, die herkömmliche Batterien zerstören können.

„Lithium-Metall-Anoden-Batterien gelten als der heilige Gral der Batterien, da sie eine zehnmal höhere Kapazität als handelsübliche Graphitanoden haben und die Reichweite von Elektrofahrzeugen drastisch erhöhen könnten“, erläutert Studienleiter Xin Li: „Unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu praktischeren Festkörperbatterien für industrielle und kommerzielle Anwendungen.“

Li und sein Team haben einen Weg gefunden, einer der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Batterien, nämlich der Bildung von Dendriten auf der Oberfläche der Anode, entgegenzuwirken. Dendriten wachsen wie Wurzeln in den Elektrolyten hinein. Dabei durchdringen sie die Barriere zwischen Anode und Kathode. Das kann zu einem Kurzschluss oder sogar zu einem Brand in der Batterie führen.

Dendriten bilden sich, wenn Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode wandern und sich dann an der Oberfläche der Anode anlagern. Dadurch entsteht eine unebene, inhomogene Oberfläche, vergleichbar mit Plaque auf den Zähnen.

Die begünstigt es, dass sich Dendriten dort festsetzen können. Im Zuge der Entladung muss diese Beschichtung von der Anode entfernt werden. Wenn die Beschichtung allerdings ungleichmäßig ist, kann der Ablösungsprozess zu langsam sein, um vollständig zu gelingen. Das könnte dazu führen, dass bei der nächsten Ladung eine noch ungleichmäßigere Beschichtung entsteht.

Schon im Jahr 2021 hatten Li und sein Team eine Möglichkeit gefunden, Dendriten einzudämmen, indem sie eine Mehrschichtbatterie entwarfen, bei der verschiedene Materialien mit unterschiedlicher Stabilität zwischen Anode und Kathode eingebettet sind.

Im Rahmen ihrer jüngsten Forschungsarbeit fand das Forschungsteam einen Weg, die Bildung von Dendriten komplett zu verhindern. Sie verwenden mikroskopisch kleine Siliziumpartikel in der Anode, um die Lithiumreaktion einzuschränken. So wird die homogene Abscheidung einer dicken Schicht aus Lithiummetall erleichtert.

„In unserem Design wird das Lithiummetall um das Siliziumpartikel gewickelt, wie eine harte Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einem Schokoladentrüffel“, sagt Li.

So entsteht eine homogene Oberfläche, über die sich die Stromdichte gleichmäßig verteilt. Das verhindert das Wachstum von Dendriten. So könne die Beschichtung und Ablösung auf einer gleichmäßigen Oberfläche schnell erfolgen, was zudem dazu führe, dass sich die Batterie in nur etwa 10 Minuten wieder aufladen lässt.

Um ihre Entdeckung zu verifizieren, baute Lis Team eine briefmarkengroße Pouch-Cell-Version der Batterie. Diese Batterie behielt nach 6.000 Zyklen immer noch 80 Prozent ihrer Kapazität.

„Frühere Forschungen hatten ergeben, dass auch andere Materialien, darunter Silber, als gute Anodenmaterialien für Festkörperbatterien dienen könnten“, so Li: „Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrundeliegenden Mechanismus des Prozesses und bietet einen Weg, um neue Materialien für die Entwicklung von Batterien zu identifizieren“.

Die Technologie wurde bereits lizenziert und soll nun in die Serienproduktion überführt werden.