Schematische Darstellung der Dendritenbildung in einer Li-Ionen-Batterie: Die negative Ladung konzentriert sich auf den Spitzen von Vorsprüngen und zieht positiv geladene Lithium-Ionen an. Dadurch wachsen Dendriten heran. Schmickler/Santos

Schematische Darstellung der Dendritenbildung in einer Li-Ionen-Batterie: Die negative Ladung konzentriert sich auf den Spitzen von Vorsprüngen und zieht positiv geladene Lithium-Ionen an. Dadurch wachsen Dendriten heran. (Bild: Schmickler/Santos)

Bislang war nicht bekannt, warum Metalle wie Lithium beim Aufladen an der Anode Dendriten bilden, Silber oder Kupfer hingegen nicht. Prof. Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos von der Universität Ulm haben nun ein Modell auf atomarer Ebene entwickelt, das erklärt, wie und warum Dendriten entstehen. Ihre Forschungsergebnisse sind als ‚Hot paper‘ in der Fachzeitschrift ‚Angewandte Chemie‘ erschienen.

Grund für Dendritenbildung: Potentiale unterhalb des Ladungsnullpunkt

Die beiden Wissenschaftler haben 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 so genannten 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“, erklärt Prof. Schmickler. „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.“ 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“, erläutert Dr. Elizabeth Santos. „Diese stößt die positiv geladenen Metall-Ionen ab, das Cluster kann nicht weiter wachsen und Dendriten bilden.“

Oberflächenspannung als weiterer Faktor

Darüber hinaus konnten die Forscher ein weiteres Phänomen nachweisen, das zur Dendritenbildung beiträgt: Die negative Ladung verkleinert die Oberflächenspannung und fördert damit die Entstehung von Vorsprüngen auf der Oberfläche.

Welche praktische Relevanz haben diese Forschungsergebnisse für die Entwicklung hochleistungsfähiger Batterien? Mit ihrem neuen Modell können die Chemiker zeigen, warum einige relevante Materialien Dendriten bilden und andere nicht. Darüber hinaus liefern sie eine Erklärung für die Entstehung der Kristallstrukturen auf atomarer Ebene. „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“, betonen die Autoren.

(dw)

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