Zu den Anfängen der Lithium-Ionen-Technik nutzten Forscher reines Lithium als Elektrodenmaterial. Das leichteste Metall im Periodensystem der Elemente war gut für die Leistungsdichte, die bis heute die Achillesverse der Batterien im Auto.
Während des Ladens und Entladens wandern Lithium-Ionen durch einen dazwischenliegenden Elektrolyth und eine Membran zwischen den Elektroden hin und her. Weil Ionen geladene Teilchen sind, findet Stromfluss statt. Ideal ist also, wenn vor allem das aktive Lithium in die Batteriezellen gepackt wird.
Dendriten als Brandursache
Leider neigen Lithium-Ionen bei der Ablagerung zur so genannten Dendritenbildung, d.h. sie bilden an der Lithium-Metall-Anode nadelförmige Spitzen ähnlich den Stalagmiten einer Tropfsteinhöhle. Diese Dendriten breiten sich im schlimmsten Fall so weit aus, bis sie die Separatormembran, die die Elektroden voneinander trennt, durchstoßen. Das führt zu einem Kurzschluss und letztlich zur Zerstörung der Batterie – diese geht thermisch durch und kann dabei in Brand geraten. Die Batterieforschung besteht seit vielen Jahren vor allem darin, eine Lösung für dieses Problem zu finden. Aktuell verhindert vor allem Graphit an den Anoden die Dendritenbildung. Nachteil: Der Kohlenstoff ist schwer und bringt viel Gewicht in die Zelle, ohne die Menge aktiven Materials zu erhöhen. Neuerdings setzt man wie z. B. Porsche auf Silizium, um Graphit zu ersetzen. Und letztlich ist auch die Feststoffbatterie (siehe Bildergalerie), wie sie etwa BMW und Ford oder auch VW in Serie bringen wollen eine Möglichkeit, die Dendritenbildung zu unterbinden – ein fester Elektrolyth hält sie auf.
Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun nach eigenen Angaben gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Boston und Detroit gelungen, die Dendritenbildung mittels einer neuartigen Membran zu unterbinden und somit die Lebensdauer einer Lithium-Metall-Batterie mindestens zu verdoppeln. Über ihre Methode berichten die Forschenden in der renommierten Fachzeitschrift "Advanced Energy Materials".
Nano-Membran verhindert Kurzschlüsse
Wie beschrieben bewegen sich die positiv geladenen Lithium-Ionen während des Ladungstransfers zwischen Anode und Kathode hin und her. Immer wenn die Elektroden ein Elektron aufnehmen, lagern sie ein Lithium-Atom ab. Diese Atome reichern sich an der Anode an und es bildet sich eine kristalline Oberfläche, die dort, wo sich die Atome ansammeln, dreidimensional wächst und so die Dendriten bildet. Die Forscher nutzen aus, dass die Poren der Separator-Membran die Keimbildung der Dendriten beeinflussen. Ist der Ionentransport homogener, lässt sich die Entstehung der Dendriten vermeiden.
"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 Universität 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, lagert sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab." Die Gefahr, dass die Separator-Membran dadurch beschädigt werde, bestehe nicht – die Funktionalität der Batterie werde nicht beeinträchtigt.
Hhundertfaches Laden und Entladen
"Um unsere Methode zu überprüfen, haben wir Testbatterien, die mit unserer Hybrid-Separator-Membran ausgestattet waren, immer wieder aufgeladen", sagt Dr. Antony George von der Universität Jena. "Selbst nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen konnten wir kein dendritisches Wachstum feststellen."
Mit der neuartigen Membran lassen sich so Batterien mit hoher Energiedichte stabil halten. Für Elektroautos heißt das mehr Reichweite bei gleichem Gewicht und Volumen der Batterie. "Der Separator bekommt im Vergleich zu den anderen Komponenten der Batterie am wenigsten Aufmerksamkeit", sagt Sathish Rajendran von der Wayne University. "Das Ausmaß, in dem eine nanometerdicke zweidimensionale Membran auf dem Separator einen Unterschied in der Lebensdauer einer Batterie machen könnte, ist faszinierend."
Vielversprechendes Patent angemeldet
Das Forscherteam ist zuversichtlich, dass ihre Erkenntnisse das Potenzial haben, eine neue Generation von Lithiumbatterien hervorzubringen. Deshalb haben sie ihr Verfahren zum Patent angemeldet.
In einem nächsten Schritt soll nun geprüft werden, wie sich die Anwendung der zweidimensionalen Membran in den Herstellungsprozess integrieren lässt – meistens ist das der Haken an neuen Erkenntnissen der Forschung: Für eine massenhafte Anwendung in der Praxis müssen sie auch in einer skalierbaren Produktion darstellbar sein. Die Forscher scheinen hier aber vorsichtig optimistisch: "Die Schlüsselinnovation hier ist die Stabilisierung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche mit einer ultradünnen Membran, die den aktuellen Batterieherstellungsprozess nicht verändert", sagt Prof. Dr. Leela Mohana Reddy Arava von der Wayne State University in Detroit. "Die Stabilität der Grenzfläche garantiert eine Verbesserung der Leistung und die Sicherheit dieses elektrochemischen Systems." Diese Idee wollen die Forschenden auch auf andere Batterietypen anwenden.
Fazit
Klar, die Superbatterie scheint immer wieder entdeckt zu werden, braucht aber neben der Forschung an Ideen vor allem einen Plan für die Umsetzung bei massenhafter Produktion für die Praxis. Bislang haben sich Forscher viel mit der Kathode, der Anode und dem Elektrolythen beschäftigt – man denke nur an die Feststoffbatterie.
Der Ansatz, die Dendritenbildung mit einer Nano-Membran zu verhindern aber ist neu und wirkt auch produktionstechnisch nicht wie ein Hexenwerk. Die Nanotechnologie hat schließlich auch in anderen Bereichen große Fortschritte gemacht. Eine Patentanmeldung wirkt zusätzlich ermutigend.
