Festkörperelektrolyt-Batterien könnten mehr Energie speichern und gleichzeitig bestimmte Brandrisiken verringern. Dennoch wird ihre Entwicklung durch interne Kurzschlüsse eingeschränkt.
Ein Team des MIT und der Technischen Universität München hat den Mechanismus identifiziert, der dieses Problem erklärt, und eine Lösung gefunden.
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In diesen Batterien wird der flüssige Elektrolyt klassischer Modelle durch ein festes Material ersetzt. Dieses leitet Lithiumionen zwischen den Elektroden. Es muss auch den direkten Durchgang von Elektronen verhindern, um eine unkontrollierte Reaktion zu vermeiden.
Der Festelektrolyt besteht jedoch nicht aus einem vollkommen gleichmäßigen Block. Er versammelt zahlreiche mikroskopische Kristalle, sogenannte Körner. Die Bereiche, in denen diese Kristalle aufeinandertreffen, bilden besondere Grenzen, deren Eigenschaften sich von denen der Körner unterscheiden.
Die Forscher untersuchten diese Grenzen in einem gängigen Elektrolyten, bestehend aus Lithium, Lanthan, Zirkonium und Sauerstoff. Ihre Analysen zeigten lokale elektrische Ungleichgewichte. Diese Ladungen erzeugen Felder, die die Lithiumionen verlangsamen und die Ansammlung von Elektronen begünstigen.
Unter diesen Bedingungen können sich einige Lithiumionen in metallisches Lithium umwandeln. Es entstehen dann kleine Ablagerungen entlang der Grenzen zwischen den Kristallen. Sie können allmählich verzweigte Strukturen bilden, die als Dendriten bekannt sind.
Diese Dendriten stören den Betrieb der Batterie und können schließlich den Elektrolyten durchdringen. Sie stellen dann eine direkte Verbindung zwischen den Elektroden her. Dieser Kurzschluss verkürzt die Lebensdauer der Zelle und kann ihre Sicherheit gefährden.
Die Wissenschaftler änderten anschließend die Herstellungsbedingungen des Elektrolyten. Dieser Eingriff reduzierte die negativen Ladungen an den Grenzen. Die Ionen flossen so leichter, während die Elektronenlecks abnahmen.
Der modifizierte Elektrolyt hielt eine kritische Stromdichte aus, die um mehr als 300 % über der einer Referenzprobe lag. Dieses Ergebnis könnte schnellere Ladungen ermöglichen und Kurzschlüsse verzögern.