Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology haben in der Fachzeitschrift „Nature“ eine Studie veröffentlicht, die einen neuen Mechanismus für die Bildung von Dendriten in Festkörperbatterien aufzeigt. Festkörperbatterien verwenden festes Metall als Elektrolyt und versprechen sicherer und energiedichter zu sein als Lithium-Ionen-Batterien. Doch das Problem von Kurzschlüssen durch Dendriten behindert ihre Entwicklung seit langem.
Früher gingen Forscher allgemein davon aus, dass Dendriten hauptsächlich durch mechanische Spannung verursacht werden. Diese neue Studie zeigt jedoch, dass in gängigen Festelektrolyt-Materialien ein schnelleres Dendritenwachstum mit einem niedrigeren Spannungsniveau korreliert. Mit einer direkten Messtechnik beobachtete das Team, dass die Spannung bei der Rissbildung nur 25 % der erwarteten mechanischen Spannung betrug, was auf eine dominierende Rolle chemischer Faktoren hindeutet.
Cole Fincher, Erstautor der Studie, sagte: „Die direkte Messtechnik ermöglichte es uns zu sehen, wie sich die Zähigkeit des Materials während des Batteriezyklus verändert. Wir fanden heraus, dass ein Keramikelektrolyt, wenn man ihn nur auf der Werkbank testet, eine Zähigkeit ähnlich wie ein Zahn hat. Während des Ladevorgangs wird er jedoch viel spröder – ähnlich wie die Brüchigkeit eines Lutschers.“ Diese Versprödung wird durch eine chemische Reaktion ausgelöst, die durch hohe Ströme verursacht wird und den Elektrolyten anfälliger für Dendritenwachstum macht.
Diese Studie liefert erstmals experimentelle Daten zur Wechselwirkung von chemischer und mechanischer Spannung bei der Dendritenbildung. Der leitende Autor Yet-Ming Chiang wies darauf hin: „Es gibt eine große Forschungsgemeinschaft, die ständig daran arbeitet, bessere Festelektrolyte für Festkörperbatterien zu entdecken und zu entwickeln. Diese Studie bietet eine Anleitung für diese Bemühungen. Wir haben einen neuen Mechanismus für das Dendritenwachstum entdeckt, der es uns ermöglicht zu erforschen, wie man das Design so gestalten kann, dass man ihn umgeht, um Festkörperbatterien erfolgreich zu machen.“
Das Forschungsteam verwendete eine Doppelbrechungs-Mikroskopietechnik, um die Spannung um die Dendriten herum zu messen, und setzte Tieftemperatur-Rastertransmissionselektronenmikroskopie für die Analyse auf atomarer Ebene ein. Die Bildgebung zeigte, dass der Ionenstrom chemische Reaktionen auslöst, die zu Materialzersetzung und Volumenschrumpfung führen und somit das Material spröder machen. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung der Entwicklung chemisch stabiler Materialien, anstatt sich nur auf mechanische Festigkeit zu konzentrieren.
Die Experimente basierten auf einem stabilen Elektrolyten, und die Forscher glauben, dass die Schlussfolgerungen auch für andere Materialien gelten. Yet-Ming Chiang fügte hinzu: „Das sagt uns, dass wir stabilere Elektrolytmaterialien finden müssen, insbesondere in Kontakt mit Lithiummetall, das aus chemischer Sicht stark reduzierend ist. Dies wird helfen, die Suche nach neuen Materialien zu leiten.“ Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die spezifischen elektrochemischen Reaktionen zu bestimmen. Die Methode kann auch zur Verbesserung von Materialien für Geräte wie Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Veröffentlichungsdetails: Autor: by Massachusetts Institute of Technology; Titel: „Why solid-state batteries keep short-circuiting“; veröffentlicht in: „Nature“ (2026); Zeitschrifteninfo: „Nature“.
