Jena: Forschung an Lebensdauer von Lithium-Metall-Akkus

Forschenden der Friedrich-Schiller-Universität Jena melden, dass es ihnen gemeinsam mit Kollegen aus Boston und Detroit gelungen sei, bei Lithium-Metall-Batterien die Dendritenbildung zu unterbinden und die Lebensdauer solcher Batterien dadurch mindestens zu verdoppeln.

Lithium-Metall-Batterien können im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien doppelt so viel Energie pro Gewichtseinheit liefern, neigen aber zur Bildung von Lithium-Dendriten – also kleinen, nadelartigen Strukturen, die vergleichbar mit Stalagmiten in einer Tropfsteinhöhle an der Lithium-Metall-Anode wachsen. „Diese Dendriten breiten sich oft so weit aus, bis sie die Separatormembran, die die Elektroden voneinander trennt, durchstoßen, was zu einem Kurzschluss und schließlich zur Zerstörung der Batterie führt“, heißt es in einer Mitteilung der Universität Jena einführend.

Der Ansatz der Jenaer, Bostoner und Detroiter Forscher nimmt die Separatormembran in den Batterien in den Fokus. Erfolge der Ionentransport durch die Poren dieser Membran homogener, könne das Entstehen der Dendriten vermieden werden. „Deshalb haben wir eine extrem dünne, zweidimensionale Membran aus Kohlenstoff auf den Separator aufgebracht, deren Poren einen Durchmesser von weniger als einen Nanometer haben“, erklärt Prof. Andrey Turchanin von der Uni Jena. „Diese winzigen Öffnungen sind kleiner als die kritische Keimgröße und verhindern so die Keimbildung, die das Wachsen der Dendriten auslöst.“ Anstatt dendritische Strukturen zu bilden, lagere sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab.

Selbst nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen konnten die Forschenden kein dendritisches Wachstum feststellen. Das Verfahren wurde in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ vorgestellt und zum Patent angemeldet. In einem nächsten Schritt soll nun geprüft werden, wie sich die Anwendung der zweidimensionalen Membran in den Herstellungsprozess integrieren lässt. Zudem wollen die Forschenden die Idee auch auf andere Batterietypen anwenden.
uni-jena.de