Geraten Smartphones oder E-Autos in Brand, handelt es sich oft um astartige Auswüchse (Dendriten), die beim Aufladen der Akkus entstehen. Bisher war nicht bekannt, warum Metalle wie Lithium Dendriten bilden, Silber oder Kupfer hingegen nicht. Die Universität Ulm konnte nun ein Modell auf atomarer Ebene entwickeln, das erklärt, wie und warum Dendriten entstehen.
Lithiumbasierte Batterien sind leistungsfähig, können jedoch explodieren. Beim wiederholten Aufladen eines solchen Akkus bilden sich eventuell so genannte Dendriten, die einen Kurzschluss auslösen können. Diese astartigen Auswüchse entstehen allmählich beim Aufladen der Batterie an der negativen Elektrode. Wenn sie die Gegenelektrode erreichen, können diese Dendriten im Zusammenspiel mit entflammbaren Elektrolyten einen Kurzschluss verursachen. Die Folge: die Batterie geht in Flammen auf .
Prof. Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos von der Universität Ulm haben ein Modell entwickelt, das erklärt, wie und warum bestimmte Metalle bei der Abscheidung Dendriten bilden. Auf dem Supercomputer JUSTUS 2 hat das Team quantenchemische Berechnungen mithilfe einer Weiterentwicklung der Density-functional theory (DFBT+) durchgeführt.
Ihre Ergebnisse legen folgendes Szenario für die Dendritenbildung nahe: Jedes Metall verfügt über einen Ladungsnullpunkt. Wird das Metall bei Potentialen unterhalb dieses Ladungsnullpunkts – also bei einer negativ geladenen Elektrode – abgeschieden, entstehen die kristallartigen Dendriten. „Bei der Abscheidung bilden sich immer wieder kleine Unebenheiten wie Vorsprünge auf der Oberfläche. Den Gesetzen der Elektrostatik folgend, konzentriert sich die negative Ladung auf den Spitzen solcher Cluster und zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen an. Somit wachsen diese Spitzen weiter und bilden schließlich Dendriten“, erklärt Schmickler. Darüber hinaus konnten die Forschenden ein weiteres Phänomen nachweisen, das zur Dendritenbildung beiträgt: Die negative Ladung verkleinert die Oberflächenspannung und fördert damit die Entstehung von Vorsprüngen auf der Oberfläche.
Modell auf atomarer Ebene
Die Erkenntnisse sind kompatibel mit bisherigen Forschungsergebnissen. Allerdings haben Schmickler und Santos erstmals ein Modell auf atomarer Ebene entwickelt. Dieses lässt sich auf andere Metalle übertragen und erklärt, warum z.B. Kupfer nicht anfällig für Dendriten ist. Bei Metallen wie Kupfer oder Silber ist die Oberfläche bei der Abscheidung positiv geladen. Bildet sich dort ein kleiner Vorsprung auf der Oberfläche, sammelt sich eine positive Ladung an. Diese stößt die positiv geladenen Metall-Ionen ab, das Cluster kann nicht weiter wachsen und Dendriten bilden.
Welche praktische Relevanz haben diese Ergebnisse für die Entwicklung hochleistungsfähiger Batterien? „Im Prinzip sagt unser Modell voraus, wie sich die Bildung von Dendriten in aufladbaren Batterien vermeiden lässt. Hierfür wäre allerdings ein Lösungsmittel erforderlich, das widersprüchliche Anforderungen erfüllt. Daher haben unsere Ergebnisse zunächst vor allem theoretische Relevanz“, erklärt das Forscherduo.
Universität Ulm
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Weitere Informationen:
Der für die Batterieforschung bedeutende wissenschaftliche Beitrag ist als „Hot paper“ in der renommierten Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" erschienen.