In den letzten Jahren haben Wissenschaftler nach Wegen gesucht, das enorme Potenzial von Lithium-Metall-Batterien zu erschließen, wobei die Anwendung von Festkörperelektrolyten besondere Aufmerksamkeit erregt. Theoretisch könnte der Ersatz von flüssigen Elektrolyten durch Festkörperelektrolyte zu wiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterien führen, die sicherer, energiedichter und schneller ladefähig sind. Ein zentrales Problem, das die Entwicklung hemmt, ist jedoch die Neigung von festen Kristallelektrolyten, während des Gebrauchs winzige Risse zu bilden, die zum Ausfall der Batterie führen.

Aufbauend auf Forschungsergebnissen aus dem Jahr 2023 haben Wissenschaftler der Stanford University die Entstehungs- und Ausbreitungsmechanismen von Oberflächendefekten wie winzigen Rissen und Dellen in Festkörperelektrolyten aufgedeckt und eine Methode vorgeschlagen, die deren Leistung durch eine Glühbehandlung mit einer extrem dünnen Silberbeschichtung erheblich steigert. Laut einem Bericht in „Nature Materials“ kann eine solche Beschichtung die Widerstandsfähigkeit der Elektrolytoberfläche gegen mechanischen Druckbruch verfünffachen und das Risiko einer Lithiumioneninfiltration signifikant reduzieren. Insbesondere während des Schnellladens kann sie effektiv verhindern, dass sich Nanorisse zu Nanospalten entwickeln, was die Lebensdauer der Batterie verlängert.

„Der von uns untersuchte Festkörperelektrolyt ist eine Keramik, die Lithiumionen leicht passieren lässt, aber selbst sehr spröde ist“, erklärt Wendy Gu, außerordentliche Professorin für Maschinenbau. „Durch eine nanoskopische Silberdotierung können wir beeinflussen, wie Risse an der Elektrolytoberfläche entstehen und sich ausbreiten, und so langlebige, ausfallsichere Festkörperelektrolyte herstellen.“ Professor Xin Xu, der die Studie leitete, wies darauf hin, dass diese Methode auf eine breite Klasse von Keramikmaterialien übertragbar sei. Dies zeige, dass ultradünne Oberflächenbeschichtungen die Sprödigkeit von Elektrolyten verringern und sie unter extremen Bedingungen stabiler machen können.

Das Forschungsteam hat die Wirksamkeit der Silberbeschichtungstechnologie bereits an kleinen Probestücken validiert. Künftig will es ihr Anwendungspotenzial in Batterien größerer Abmessungen sowie die Kompatibilität mit anderen Batteriekomponenten untersuchen. Darüber hinaus erforschen die Wissenschaftler, wie das Versagen anderer Arten von Festkörperelektrolyten, wie etwa schwefelbasierter, verhindert werden kann, und erwägen, die Erkenntnisse auch auf Natriumbatterien anzuwenden, um die Lieferkettenbeschränkungen für Lithiumbatterien zu entschärfen.

Weitere Informationen: Titel: „Mechanische Leistung von Lithiumioneneinlagerungen in spröden Festkörperelektrolyten beeinflusst durch heterogene Nanobeschichtungsdotierung“, veröffentlicht in: „Nature Materials“ (2026). Zeitschrifteninformation: Nature Materials