Eine aktuelle Studie von Ingenieuren der Brown University hat eine einfache Strategie vorgeschlagen, die ein Haupthindernis bei der Entwicklung von Festkörperbatterien der nächsten Generation – das Dendritenwachstum von Lithium – überwinden soll. Diese Entdeckung liefert neue Erkenntnisse zur Verbesserung der Ladeleistung und Sicherheit von Lithium-Festkörperbatterien.

Festkörperbatterien gelten aufgrund ihrer höheren Energiedichte und Sicherheit als vielversprechende Technologie zur Energiespeicherung. Dendriten (dünne Lithiummetallfäden, die während des Ladevorgangs wachsen) können jedoch den Elektrolyten durchstoßen, Kurzschlüsse verursachen und die Kommerzialisierung einschränken. In ihren Experimenten verwendeten die Forscher Lithiummetallelektroden und den Festkörperelektrolyten LLZTO. Sie setzten eine einfache Temperaturdifferenz ein: Eine Seite des Elektrolyten wurde mit einem Keramikheizring erhitzt, die andere mit einem Kupferkühlkörper gekühlt. Dadurch wurde eine mechanische Spannung im Material erzeugt.

„Die Dendritenbildung ist eine der größten Herausforderungen für Festkörperbatterien der nächsten Generation. Wir konnten jedoch zeigen, dass temperaturinduzierte mechanische Spannungen das Dendritenwachstum effektiv unterdrücken können“, so Zikang Yu, Erstautor der Studie und Doktorand der Ingenieurwissenschaften an der Brown University. „Ein Temperaturgradient von nur 20 Grad Celsius kann die Ladeleistung der Batterie verdreifachen.“ Experimentelle Daten belegen, dass diese thermische Kompression die kritische Stromdichte des Elektrolyten (den maximalen Ladestrom, den die Batterie ohne Ausfall verträgt) verdreifacht.

„Erhitzt man eine Seite eines Objekts stärker als die andere, wird die Ausdehnung durch die kühlere Seite eingeschränkt, was zu einer Kompression führt“, erklärt Brian Sheldon, korrespondierender Autor und Professor für Ingenieurwissenschaften. „Das ist der entscheidende Punkt.“ Das Forschungsteam ist überzeugt, dass sich diese Strategie mit bestehenden Wärmemanagementsystemen in Batterien kombinieren lässt, um durch Anpassung der thermischen Architektur auf natürliche Weise den zur Unterdrückung der Dendritenbildung notwendigen Temperaturunterschied zu erzeugen.

Weitere Informationen: Autoren: Zikang Yu et al., Titel: „Unterdrückung von Dendriten in Granatelektrolyten durch thermisch induzierte Druckspannung“, veröffentlicht in: Joule (2025). Zeitschrifteninformationen: Joule