Lithium-Metall-Batterien mit durch Kohlenstoff-Nanomembranen modifizierten Separatoren. Die Membranen verhindern das Dendrit-Wachstum und erhöhen damit die Lebensdauer der auch für E-Autos relevanten Batterien. (Bild: Sathish Rajendran/Wayne State University)

Lithium-Metall-Batterien mit durch Kohlenstoff-Nanomembranen modifizierten Separatoren. Die Membranen verhindern das Dendrit-Wachstum und erhöhen damit die Lebensdauer der auch für E-Autos relevanten Batterien. (Bild: Sathish Rajendran/Wayne State University)

Die Energiedichte herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien nähert sich einem Sättigungspunkt, der den Anforderungen der Zukunft – etwa in Elektrofahrzeugen – nicht mehr gerecht wird. Lithium-Metall-Batterien können hingegen im Vergleich dazu doppelt so viel Energie pro Gewichtseinheit liefern.

Die größte Herausforderung, die ihre Anwendung behindert, ist die Bildung von Lithium-Dendriten – also kleinen, nadelartigen Strukturen, die 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.

Seit vielen Jahren suchen Experten weltweit nach einer Lösung für dieses Problem. Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Boston und Detroit gelungen, die Dendritenbildung zu unterbinden und somit die Lebensdauer einer Lithium-Metall-Batterie mindestens zu verdoppeln. Über ihre Methode berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“.

Zweidimensionale Membran verhindert das Wachstum von Dendriten

Während des Ladungstransfers bewegen sich die Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Immer wenn sie 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 Poren der Separatormembran beeinflussen die Keimbildung der Dendriten. Ist der Ionentransport homogener, lässt sich das Entstehen 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 Separatormembran dadurch beschädigt werde, bestehe nicht – die Funktionalität der Batterie werde nicht beeinträchtigt.

„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.“

„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.“

Normale Batterie-Separatoren mit mikroskaliger Porosität (a) verursachen einen ungleichmäßigen Lithiumtransport während der Lade-Entlade-Zyklen der Batterie, was zu einem nadelartigen Wachstum von metallischem Lithium führt. Mit einer Kohlenstoff-Nanomembran (b) lässt sich das Wachstum verhindern und das Lithium lagert sich als glatte Schicht ab. (Bild: Turchanin et al./Wiley).
Normale Batterie-Separatoren mit mikroskaliger Porosität (a) verursachen einen ungleichmäßigen Lithiumtransport während der Lade-Entlade-Zyklen der Batterie, was zu einem nadelartigen Wachstum von metallischem Lithium führt. Mit einer Kohlenstoff-Nanomembran (b) lässt sich das Wachstum verhindern und das Lithium lagert sich als glatte Schicht ab. (Bild: Turchanin et al./Wiley).

Zum Patent angemeldet

Batterien mit hoher Energiedichte vergrößern die Reichweite von Elektrofahrzeugen bei gleichem Gewicht und Volumen der Batterie und sorgen dafür, dass tragbare elektronische Geräte mit einer einzigen Ladung länger halten. „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.“

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. Zudem wollen die Forschenden die Idee auch auf andere Batterietypen anwenden. (na)

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