Nanofilter gegen Dendriten: Wissenschaftler haben einen neuen Weg gefunden, um die Bildung zerstörerischer Lithium-Nadeln in Lithium-Metall-Batterien zu verhindern – und so die Lebensdauer dieser energiedichten Batterien erheblich zu verlängern. Dafür wird eine nur rund einen Nanometer dünne, poröse Kohlenstoffmembran wie eine Art Filter auf den Separator aufgebracht. Dies homogenisiert den Durchstrom der Lithium-Ionen und verhindert so das Wachstum nadelförmiger Dendriten.
Noch sind Lithium-Ionen-Akkus die Arbeitspferde mobiler Stromversorgung. Doch es gibt Anforderungen, bei denen sie an ihre Grenzen stoßen, darunter auch die Elektromobilität. Ihre Energiedichte reicht nicht aus, um mit leichten, kompakten Fahrzeugbatterien große Reichweiten zu ermöglichen. Unter anderem deshalb suchen Forscher weltweit nach leistungsfähigeren Alternativen. Als Kandidaten gelten neben Batterien auf Basis anderer Elemente als Lithium auch Lithium-Metall-Batterien. Bei diesen besteht die Anode nicht aus Graphit, sondern aus metallischem Lithium.
Zerstörerische Nadeln
Das Problem jedoch: Lithium-Metall-Batterien haben zwar eine doppelt so hohe Energiedichte, sind aber kaum wiederaufladbar. Schon nach wenigen Ladezyklen lagert sich metallisches Lithium in Form von nadelartigen Spitzen an der Anode ab. Diese Dendriten wachsen so weit heran, dass sie die Separatormembran zwischen den Elektroden durchstoßen und so einen Kurzschluss verursachen. Zudem können Stücke der Dendriten abbrechen und eine Blockade bilden. Beides zerstört die Batterie.
Eine Lösung gegen die Dendritenbildung könnte nun ein Team um Sathish Rajendran von der Wayne State University in Detroit und Andrey Turchanin von der Universität Jena gefunden haben. Denn wie sie festgestellt haben, spielt die Separatormembran auch für die Dendriten eine entscheidende Rolle. Sind die Poren der Membran relativ groß und unregelmäßig, führt dies zu einem inhomogenen Einstrom der Lithium-Ionen, der das schnelle Wachstum von Dendriten fördert.
Nanofilter homogenisiert Ionenstrom
Um dies zu verhindern, hat das Forschungsteam eine Art Filter für den Separator entwickelt: „Wir eine extrem dünne, zweidimensionale Membran aus Kohlenstoff auf den Separator aufgebracht, deren Poren einen Durchmesser von weniger als einen Nanometer haben“, erklärt Turchanin. Diese Membran ist nur 1,2 Nanometer dick und hat eine durchschnittliche Porengröße von 0,7 Nanometern. „Diese winzigen Öffnungen sind kleiner als die kritische Partikelgröße und verhindern so die Keimbildung, die das Wachsen der Dendriten auslöst“, erklärt Turchanin.
Das Aufbringen der Kohlenstoffmembran auf den Separator lasse sich in den normalen Produktionsprozess integrieren. „Die Schlüsselinnovation hier ist die Stabilisierung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche mit einer ultradünnen Membran, die den aktuellen Batterieherstellungsprozess nicht verändert“, sagt Seniorautorin Leela Mohana Reddy Arava von der Wayne State University. Auch die Funktionalität der Batterie werde nicht beeinträchtigt.
Lebensdauer deutlich verlängert
In einem ersten Test verglich das Forschungsteam die Lithiumablagerungen nach Passage der Ionen durch einen herkömmlichen, sogenannten Celgard-Separator mit und ohne die zusätzliche Nanomembran. Das Ergebnis: Ohne die Membran bildeten sich unregelmäßige, stäbchenförmige Ablagerungen, die als die Vorstufe für Dendriten gelten. Mit der Nanomembran dagegen erfolgte die Deposition deutlich gleichmäßiger: „Anstatt dendritische Strukturen zu bilden, lagert sich das Lithium als glatter Film auf der Anode ab“, berichtet Turchanin.
Im zweiten Versuch testeten die Forschenden die Funktion der gesamten Lithium-Metall-Batterie mit und ohne die Zusatzmembran. Auch hier zeigten sich deutliche Unterschiede: Die Leistung der herkömmlichen Batterie fiel nach rund 100 Ladezyklen drastisch ab, weil sich Dendriten gebildet hatten. Ihre Kapazität sank dadurch von gut 100 auf nur noch 26 Milliamperestunden pro Gramm ab.
Anders bei der Testbatterie mit Membran: „Selbst nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen konnten wir kein dendritisches Wachstum feststellen“, berichtet Turchanins Kollege Antony George. Die Kapazität der Batterie sank dadurch deutlich langsamer – von 96 auf 69 Milliamperestunden pro Gramm im Verlauf von 400 Ladezyklen.
Potenzial für neue Batterien
Nach Ansicht des Teams haben ihre Erkenntnisse das Potenzial, eine neue Generation von Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer hervorzubringen. „Das Ausmaß, in dem eine nanometerdicke zweidimensionale Membran auf dem Separator einen Unterschied in der Lebensdauer einer Batterie machen kann, ist faszinierend“, sagt Rajendran. Er und seine Kollegen haben ihr Verfahren bereits zum Patent angemeldet.
Als nächstes wollen die Wissenschaftler die optimale Integration der zweidimensionalen Membran in den Herstellungsprozess erforschen und zudem testen, ob ihre Nanomembran auch andere Batterietypen optimieren kann. (Advanced Energy Materials, 2021; doi: 10.1002/aenm.202100666)
Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena
