Dendriten – also astartige Auswüchse an der negativen Elektrode, der Anode – sind oft die Verursacher von Kurzschlüssen, die letztendlich auch zum Smartphone-Brand führen können. Wissenschaftler der Uni Ulm haben nun untersucht, warum Lithium-Ionen-Akkus – diese werden meist in Mobiltelefonen eingesetzt –, zur Dendritenbildung neigen, andere Speichersysteme, wie zum Beispiel magnesiumbasierte Batterien, jedoch nicht. Des Weiteren wurden auch Lithium-, Natrium-, Magnesium-Ionen, Aluminium- und Zink-Luft Batterien betrachtet sowie ein Zusammenhang zu möglichen Calcium- und Kalium-Batterien hergestellt.
Selbstdiffusionsbarrieren verantworten Dendriten
Bisher gingen die meisten Forscher davon aus, dass die Zusammensetzung der Oberflächenschicht auf der Anode und des Elektrolyten der Grund für die Dendritenbildung sei. Neuere experimentelle Forschungsergebnisse aus dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) –einem Batterieforschungszentrum aus dem Zusammenschluss des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Ulm sowie weiteren Partnern – deuten auf eine andere Ursache: Demnach scheint eine dem Metall innenwohnende Eigenschaft die Dendriten zu verursachen. Die Forscher um Professor Axel Groß, dem Leiter des Instituts für Theoretische Chemie an der Uni Ulm und Gruppenleiter am HIU sowie den Doktoranden Markus Jäckle, Erstautor der Studie, hatten für ihre Untersuchung sogenannte „Selbstdiffusionsbarrieren“ verschiedener, in Akkus verwendeter, Metalle im Blick. Denn diese Barrieren beim Wiederaufladen der Batterie verantworten nach der Abscheidung die Verteilung der Metallatome auf der Anoden-Oberfläche. Sie sorgen also dafür, ob diese gleichmäßig oder ungleichmäßig angeordnet sind.
Deskriptor zur Entwicklung von Alternativen
„Wir haben uns gefragt, ob es eine einfache physikalisch-chemische Materialeigenschaft, einen sogenannten Deskriptor, gibt, mit dessen Hilfe man vorhersagen kann, ob metallische Anoden in Batterien zum Dendritenwachstum neigen. Dabei sind wir davon ausgegangen, dass die Beschaffenheit der Anoden-Oberfläche, ob rau oder glatt, einen erheblichen Einfluss auf die Dendritenbildung hat“, so Professor Groß. Genau dieser Deskriptor ist hochrelevant, um zuverlässige Nachfolgesystemen für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Als Alternativen zum immer seltener werdenden Lithium, das in Energiespeichern meist in Kombination mit dem ebenfalls kritischen Übergangsmetall Kobalt verwendet wird, kommen übrigens Aluminium, Natrium, Magnesium und auch Zink in Frage.
Theoretische und experimentelle Forschungsergebnisse
Die Forscher kombinierten für Ihre aktuelle Publikation Forschungsergebnisse aus der Theorie sowie aus Experimenten. Per Simulation an Supercomputern wie JUSTUS von der Uni Ulm und SUPERMUC aus dem Leibniz-Rechenzentrum in München berechnete das Team Diffusionsbarrieren sowie Eigenschaften der unterschiedlichen, in Batterien verwendeten Materialien auf atomarer Ebene. So konnten sie die experimentellen Daten des HIU und der anderen Einrichtungen im Detail nachvollziehen und erstmals Metalleigenschaften, die das Dendritenwachstum beeinflussen können, identifizieren.
Magnesium und Aluminium ohne Dendritenwachstum
Die Ergebnisse der Berechnungen bestätigen die wichtige Rolle der Selbstdiffusionsbarrieren: Beim Wiederaufladen der Batterie, nach dem Abscheiden, verteilen sich bei niedrigen Diffusionsbarrieren die Metallatome äußerst gleichmäßig. Entsprechende Materialien, wie beispielsweise Magnesium oder Aluminium, zeigen also kein Dendritenwachstum. Sind aber hohe Diffusionsbarrieren, wie sie bei Lithium- und Natrium-Speichern vorkommen, vorhanden, bilden sich raue Oberflächen. Diese wiederum begünstigen nadelartige, dendritische Strukturen. Demnach erlaubt die Höhe der Diffusionsbarrieren also Deskriptor Vorhersagen darüber, ob metallische Anoden in Batterien zu Dendritenwachstum neigen oder nicht.
Schlüssel sind Anoden-Oberfläche und Anoden-Material
Zwar lässt sich aus dem Beitrag der Forschenden noch keine vollständige Theorie des Dendritenwachstums ableiten, wohl aber Designprinzipien für sichere Batterien. Jäckle fasst wie folgt zusammen: „Unsere Ergebnisse lassen erwarten, dass wir Dendritenwachstum durch eine Verringerung der Höhe von Selbstdiffusionsbarrieren gezielt verhindern können. Dies gelingt zum Beispiel durch die Modifikation der Anoden-Oberfläche. Eine andere Möglichkeit wäre es, von vornherein Anodenmaterialien mit niedrigen Selbstdiffusionsbarrieren auszuwählen, die aufgrund dieser Eigenschaft nicht zur Dendritenbildung neigen.“ Auf dieser Basis lassen sich Designempfehlungen formulieren, die bei der Entwicklung zuverlässiger neuer Speichersysteme helfen – nicht nur für Smartphones und Laptops, sondern auch im Hinblick auf globale Herausforderungen wie die Energiewende und die zunehmende Elektromobilität
Energiespeicherforschung bei CELEST
Das Forschungsvorhaben entstand im Zuge der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe), die von der Universität Ulm, dem KIT und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) betrieben wird. Neben den Interessanten Ergebnissen hat die Studie eine weitere Besonderheit inne: An dem aktuellen Projekt haben nicht nur etablierte Professoren mitgewirkt, sondern bereits Nachwuchsforscher, von Bachelorstudierenden bis zu Doktoranden. Unterstützt wurden die Forschenden bei den Berechnungen durch das Programm „High Performance Computing in Baden-Württemberg“ (bwHPC) und das Gauss Center for Supercomputing.
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