Akku-Rätsel gelöst: Kommt jetzt die Festkörperbatterie?

Festkörperbatterien sollen Handys tagelang laufen lassen und Elektroautos dreimal so weit bringen wie heutige Lithium-Ionen-Akkus. Sie gelten als deren sicherere, langlebigere und leistungsstärkere Nachfolger. In der Praxis scheitern sie aber noch an einem winzigen Problem mit großen Folgen: Beim Laden wachsen hauchdünne Metallfäden durch den Akku und verursachen Kurzschlüsse. Wie genau das passiert, war Gegenstand heftiger Debatten.

Jetzt liefert ein Team des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) neue Antworten – und zeigt direkt einen überraschenden Weg auf, das Problem zu entschärfen. Veröffentlicht wurde die Arbeit am 22. April im Fachmagazin „Nature“.

Was die Festkörperbatterie verspricht

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus aus Smartphones und E-Autos nutzen eine flüssige Zwischenschicht, den Elektrolyten. Diese Flüssigkeit ist brennbar, was sie bei Unfällen oder Defekten gefährlich macht. Festkörperbatterien ersetzen diese Flüssigkeit durch ein festes, keramisches Material. Das senkt die Brandgefahr drastisch und erlaubt höhere Energiedichten. Theoretisch könnte ein Elektroauto mit einem solchen Akku statt 500 km künftig 1.500 km am Stück fahren.

Praktisch scheitern die Festkörperakkus aber bisher an einem Phänomen mit dem Namen Dendrit. Beim Laden lagert sich metallisches Lithium nicht immer gleichmäßig ab. Stattdessen wachsen winzige, baumartige Strukturen von der einen Seite des Akkus durch den festen Elektrolyten, bis sie die andere Seite erreichen. Dann ist Schluss: Kurzschluss, Zelle kaputt.

Das Paradox: Weich zerbricht hart

Hier wird es merkwürdig. Lithium ist ein extrem weiches Metall. Man kann es mit einem Messer schneiden wie Butter. Die keramischen Elektrolyte in Festkörperakkus dagegen sind so hart wie Porzellan. Trotzdem schafft es das weiche Lithium offenbar, sich einen Weg durch die harte Keramik zu bahnen. Wie das möglich ist, darüber streiten Forscher seit Jahren.

Zwei Erklärungen konkurrieren. Die eine: Beim Laden baut sich im Lithium ein enormer innerer Druck auf, der die Keramik mechanisch auseinanderbricht. Die andere: Elektronen fließen entlang winziger Korngrenzen durch den Elektrolyten und lassen dort isolierte Lithium-Tröpfchen entstehen, die sich nach und nach zu einer durchgängigen Linie verbinden.

Die beiden Hypothesen im Überblick:

• Die Mechanik-Hypothese: Im wachsenden Lithium baut sich ein allseitiger Druck auf. Dieser bringt den spröden Elektrolyten zum Bersten – ähnlich wie Eis eine volle Wasserflasche sprengen kann.
• Die Elektronen-Hypothese: Durch kleinste Schwachstellen im Elektrolyten fließen Elektronen. An diesen Stellen entstehen isolierte Lithium-Inseln, die sich mit der Zeit zu einer durchgehenden Brücke verbinden.

Vor wenigen Wochen hatte ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in derselben Fachzeitschrift eine Studie veröffentlicht, die auf einen komplexeren Mix aus mechanischen und chemischen Einflüssen hinwies. Die Düsseldorfer Arbeit, die parallel entstanden ist und vom MIT in dessen Publikation bereits zitiert wurde, liefert einen neuen Befund.

Wie das Geheimnis gelüftet wurde

Um das Rätsel zu lösen, hat das Team um Yuwei Zhang und Institutsleiter Gerhard Dehm einen beachtlichen Aufwand betrieben. Weil Lithium bereits an der Raumluft reagiert und sich bei normaler Mikroskop-Beobachtung verändert, präparierten und untersuchten die Forscher ihre Proben vollständig unter Vakuum und bei Temperaturen von minus 190 °C. Mit gleich mehreren hochauflösenden Verfahren – darunter Kryo-Elektronenmikroskopie und Elektronenbeugung – mappten sie die Verteilung des Lithiums an der Spitze der Dendriten nanometergenau.

Das Ergebnis ist laut den Forschern eindeutig: Vor der Dendritenspitze fanden die Wissenschaftler keine isolierten Lithium-Tröpfchen. Das spricht gegen die Elektronen-Leck-Theorie. Stattdessen zeigte sich ein anderes Bild: Im gewachsenen Dendriten selbst baut sich ein enormer, allseitig wirkender Druck von bis zu 600 Megapascal auf. Das ist etwa das Dreitausendfache des Drucks, mit dem ein Autoreifen aufgepumpt wird.

„Das weiche Lithium verhält sich wie ein kontinuierlicher Wasserstrahl, der einen Fels durchdringt“, erklärt Erstautor Zhang in einer Mitteilung des Instituts. Nicht die Härte des Metalls zerbricht die Keramik, sondern der hydrostatische Druck. Und der reicht aus, um die spröde Keramik wie Glas zu sprengen.

Wie sich das Problem womöglich beheben lässt

Eine mögliche Lösung liefern die Düsseldorfer gleich mit. Wenn der Mechanismus stimmt, müsste sich ein wachsender Dendrit auch gezielt ablenken lassen, wie ein Wasserstrahl, der auf einen Graben trifft. Das Team testete diese Idee: Es setzte mit einem herkömmlichen Härteprüfer winzige Eindrücke in die Keramik, die kleine, querverlaufende Risse erzeugten. Als die Dendriten diese Kratzer erreichten, änderten sie tatsächlich schlagartig ihre Richtung. Statt weiter geradeaus zu wachsen, folgten sie den vorgegebenen Rissen um etwa 45 ° seitlich.

Das eröffnet einen konkreten Design-Ansatz: Wer Festkörperelektrolyte so konstruiert, dass sie gezielte Mikrodefekte enthalten, könnte die tödlichen Dendriten von ihrem Zielkurs ablenken: weg von der gegenüberliegenden Elektrode, hin ins Leere. Der Kurzschluss bliebe aus.

Was das für den Akku von übermorgen heißt

Für die Serienreife von Festkörperbatterien ist die Studie ein wichtiger Baustein. Sie räumt mit einer jahrelangen Unsicherheit auf und liefert Materialentwicklern Hinweise, worauf sie sich konzentrieren müssen: auf die mechanische Zähigkeit der Korngrenzen im Elektrolyten und auf clever platzierte Fehlstellen, die Dendriten umlenken.

Andere Forschungsteams verfolgen parallel weitere Wege: Das Schweizer Paul-Scherrer-Institut etwa setzt auf sanftes Sintern und eine hauchdünne Schutzschicht, und ein südkoreanisches Team arbeitet daran, die Produktion solcher Elektrolyte drastisch zu verbilligen. Autohersteller wie Mercedes, BMW, VW, Toyota und chinesische Hersteller wie BYD arbeiten an eigenen Festkörperzellen, doch die meisten Serienstarts sind für das Ende des Jahrzehnts angesetzt.

Die Düsseldorfer Arbeit liefert jetzt immerhin eine klare Beschreibung dessen, was im Innern dieser Akkus tatsächlich passiert – und einen Vorschlag, wie sich das Dendritenproblem entschärfen ließe.