Stanford-Wissenschaftler haben herausgefunden, warum Lithium-Batterien versagen

Elektromobilität. Technologie. Im Rennen um schnell aufladbare, energiedichte Lithium-Metall-Batterien haben Forscher:innen der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums herausgefunden, warum die vielversprechende Festelektrolyt-Version nicht wie erhofft funktioniert hat. Dies könnte neuen Designs – und schließlich der Batterieproduktion – helfen, das Problem zu vermeiden.

Lithium-Metall-Batterien mit Festelektrolyten sind leicht, brennbar, packen viel Energie und lassen sich sehr schnell wieder aufladen. Es gab nur ein Kurzschlussproblem, das dazu führte, dass sie ausfielen. Nun scheint es so, dass Forscher das Problem identifizieren konnten. In einem in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlichten Artikel mit dem Titel „Mechanische Regulierung der Lithium-Intrusionswahrscheinlichkeit in Granat-Festelektrolyten“ nannten die Forscher mechanische Belastungen, insbesondere während des starken Wiederaufladens, als Ursache des Versagens.

„Schon ein leichtes Eindrücken, Biegen oder Verdrehen der Batterien kann dazu führen, dass sich nanoskopische Risse in den Materialien öffnen und Lithium in den Festelektrolyten eindringt und diesen kurzschließt“, erklärte William Chueh, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der School of Engineering und für Energiewissenschaften und -technik an der neuen Stanford Doerr School of Sustainability. Weiter heißt es, dass sogar Staub oder andere Verunreinigungen, die bei der Herstellung eingebracht werden, genügend Spannung erzeugen können, um einen Ausfall zu verursachen.

Co-Auto Xin Xu verglich es mit der Art und Weise, wie ein Schlagloch im Bürgersteig erscheint. Durch Regen und Schnee pressen Autoreifen Wasser in die winzigen, bereits vorhandenen Unebenheiten im Straßenbelag und erzeugen immer breitere Risse, die mit der Zeit wachsen.

Xu sagte: „Lithium ist eigentlich ein weiches Material, aber wie beim Wasser im Schlagloch genügt Druck, um den Spalt zu vergrößern und einen Ausfall zu verursachen.“

Mechanische Kräfte nutzen

Forscher suchen mit diesem neuen Wissensstand nun nach Möglichkeiten, genau diese mechanischen Kräfte zu nutzen, um das Material während der Herstellung zu härten. Weiter heißt es in dem Artikel, dass sie außerdem nach Möglichkeiten suchen, die Elektrolytoberfläche zu beschichten, um Risse zu verhindern oder sie zu reparieren, wenn sie entstehen.

Diese Verbesserungen beginnen alle mit einer einzigen Frage: Warum?“, sagte Teng Cui, ein Postdoktorand und Mitwirkender. „Wir sind Ingenieure. Das Wichtigste, was wir tun können, ist herauszufinden, warum etwas passiert. Wenn wir das wissen, können wir die Dinge verbessern.“