Nie mehr bren­nen­de Smart­phone-Akkus

In Flammen stehende Laptops oder Smartphones sind oft auf Dendriten in Batterien zurück­zu­führen. Diese ast­artigen Aus­wüchse an der Anode können Kurz­schlüsse aus­lösen, die zum Batterie­brand führen. Warum die häufig in mobilen End­geräten ein­ge­setzten Lithium-Ionen-Speicher­systeme zur Dendriten­bildung neigen, magnesium­basierte Batterien jedoch zum Beispiel nicht, haben Forscher Axel Groß und Markus Jäckle von der Uni Ulm unter­sucht. Anhand von Simu­la­tionen an Super­computern konnten sie erst­mals Metall­eigen­schaften identi­fi­zieren, die das Dendriten­wachstum beein­flussen. 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.

Lichtmikroskopische Aufnahme eines wach­senden Dendriten aus Lithium während der elektro­chemischen Abschei­dung des Metalls aus einer Elektro­lyt­lösung. Bild: Mönig, HIU / Kramer, KIT)

Bisher glauben viele Forscher, dass die Zusammen­setzung der Ober­flächen­schicht auf der nega­tiven Elek­trode und des Elektro­lyten ursäch­lich für die Dendriten­bildung ist. Aller­dings deuten neue experi­men­telle Forschungs­ergeb­nisse aus dem Helm­holtz-Institut Ulm in eine andere Rich­tung: Demnach scheint eine dem Metall inne­wohnende Eigen­schaft die ast­artigen Aus­wüchse zu bedingen. Dabei haben die Forscher die Selbst­diffu­sions­barrieren ver­schie­dener Metalle im Blick, die in Akkus ver­wendet werden. Diese Barrieren sind dafür ver­ant­wort­lich, wie gleich­mäßig sich Metall­atome beim Wieder­auf­laden der Batterie, nach der Abschei­dung, auf der Anoden-Ober­fläche ver­teilen.

„Wir haben uns gefragt, ob es eine einfache physi­ka­lisch-chemische Material­eigen­schaft 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“, sagt Groß. Ein solcher Deskriptor wäre hoch­relevant, denn welt­weit suchen Forscher nach zuver­lässigen Nach­folge­systemen für Lithium-Ionen-Batterien. Für ihre Unter­suchung haben die Wissen­schaftler um Groß Forschungs­ergeb­nisse aus Theorie sowie Experi­ment kombi­niert: Anhand von Simu­la­tionen konnten sie die experi­men­tellen Daten im Detail nach­voll­ziehen. Mit­hilfe von Super­computern berechnete die Gruppe Diffu­sions­barrieren und Eigen­schaften unter­schied­licher, in Batterien ver­wen­deter Materi­alien auf atomarer Ebene.

Die Ergebnisse bestätigen die wichtige Rolle der Selbst­diffu­sions­barrieren: Beim Wieder­auf­laden der Batterie, nach dem Ab­scheiden, ver­teilen sich Metall­atome äußerst gleich­mäßig, wenn die Diffu­sions­barrieren niedrig sind. Ent­sprechende Materi­alien, beispiels­weise Magne­sium oder Alu­minium, zeigen dadurch kein Dendriten­wachstum. Im Fall von hohen Diffu­sions­barrieren wie bei Lithium- und Natrium-Speichern bilden sich jedoch raue Ober­flächen, die nadel­artige, dendri­tische Struk­turen begünstigen. Demnach erlaubt die Höhe der Diffu­sions­barrieren als Deskriptor Vorher­sagen darüber, ob metal­lische Anoden in Batterien zu Dendriten­wachstum neigen oder nicht. Daraus lässt sich zwar noch keine voll­ständige Theorie des Dendriten­wachstums ableiten, wohl aber Design­prinzi­pien für sichere Batterien.

„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“, erklärt Jäckle. (Quelle: U. Ulm / pro-physik.de)

Referenz: M. Jäckle et al.: Self-diffusion barriers: possible descriptors for dendrite growth in batteries?, Energy Env. Sc. 11, 3400 (2018); DOI: 10.1039/c8ee01448e

Links: Elementare Prozesse (A. Groß), Helmholtz-Institut Ulm • Institut für theoretische Chemie (A. Groß), Universität Ulm