Kürzlich hat eine in der Zeitschrift Science veröffentlichte internationale Studie erstmals das Wachstum und das mechanische Verhalten der metallischen „Stacheln“ – Dendriten – im Inneren von Lithium-Ionen-Batterien direkt beobachtet. Diese von Forschern der New Jersey Institute of Technology, der Rice University, der University of Houston und der Nanyang Technological University in Singapur gemeinsam erzielte Arbeit enthüllt die tieferen Mechanismen, wie Dendriten Kurzschlüsse verursachen, und liefert eine entscheidende theoretische Grundlage für die Verbesserung der Sicherheit neuer Energiequellen.

Lange Zeit war das Verhalten von Dendriten aufgrund ihrer winzigen Größe und ihres geschlossenen Wachstumsumfelds schwer direkt zu beobachten. Xing Liu, außerordentlicher Professor am New Jersey Institute of Technology und Mit-Erstautor der Studie, betont: „Diese Arbeit spiegelt die enge Zusammenarbeit zwischen experimenteller und rechnerischer Mechanik wider.“ Das Team entwickelte eine maßgeschneiderte Plattform für die Probenpräparation und mechanische Charakterisierung und zeichnete in einer streng luftdichten Umgebung mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskopie die Verformung der Dendriten in Echtzeit auf. Qing Ai, ehemalige Forscherin an der Rice University, erklärt: „Trotz jahrzehntelanger Forschung blieben die grundlegenden nanomechanischen Eigenschaften von Lithiumdendriten bis heute ein Rätsel.“

Die Studie zeigt, dass die traditionelle Annahme, Lithiumdendriten seien weich wie Knete, nicht der Realität entspricht. Professor Liu erläutert: „Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass sie möglicherweise sowohl fest als auch spröde sind und eher wie trockene Spaghetti brechen.“ Dies liegt daran, dass die Dendritenoberfläche von einer festen Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) umhüllt ist, die sie starr und brüchig macht. Diese Sprödigkeit führt dazu, dass Dendriten während des Wachstums leicht abbrechen, „totes Lithium“ bilden, was Kapazitätsverlust verursacht, oder die Separatorfolie durchstoßen und interne Kurzschlüsse auslösen. Das Team von Professor Yan Yao an der University of Houston bestätigte dieses spröde Bruchverhalten sowohl in flüssigen als auch festen Elektrolytsystemen.

Angesichts dieser Entdeckung schlagen die Forscher vor, neue Strategien wie die Verwendung von Lithiumlegierungs-Anoden einzusetzen, um das Risiko spröder Brüche zu verringern. Professor Liu fasst zusammen: „Der von uns identifizierte Verstärkungsmechanismus fügt der ‚Symphonie‘ aus Hochleistungsmaterialien und hochenergetischen Speichersystemen eine neue Note hinzu.“ Diese Ergebnisse klären nicht nur die physikalische Natur des Dendritenmechanismus auf, sondern weisen auch den Weg für die Entwicklung sichererer, langlebigerer Energiespeichersysteme der nächsten Generation und werden den substantiellen Fortschritt in der Sicherheitstechnologie für neue Energiequellen weiter vorantreiben.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Qing Ai et al., Titel: „Strong and Brittle Lithium Dendrites“ veröffentlicht in: Science (2026). Zeitschrifteninfo: Science