Batterieforschung Lithium-Akkus Batteriebrand unter der Lupe: Darum fangen Lithium-Akkus schon Mal Feuer

Redakteur: Dominik Stephan

Leistungsfähig und explosiv: Wer kennt nicht die Berichte von Batteriebränden und Akku-Explosionen? Doch was steckt hinter der Selbstentzündung der Energiespeicher und warum sind gerade die begehrten Lithium-Akkus betroffen? Nachforschungen auf Kristallebene sollen Licht ins Dunkel bringen.

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

Ob im Handy, Elektroauto oder in Power-Tools: Lithiumbasierte Batterien sind extrem leistungsfähig – und womöglich hochexplosiv! Die Berichte über Brände bei E-Roller, Notebooks oder Haushaltsgeräten verunsichern die Anwender. Tatsächlich hat sich zwischen 2005 und 2013 die Zahl der Bränden an Lithium-Akkus mehr als verfünffacht. Die Ursachen dieser Ereignisse sind in den meisten Fällen gleich: Ein Kurzschluss des Batteriepacks führt zu einer sehr schnellen Entladung mit enormer Hitzeentwicklung. Das kann etwa der Fall sein, wenn die Akkuzelle beschädigt oder perforiert wird – allerdings können Lithium-Batterien auch ganz von alleine in Brand geraten.

Dahinter stecken sogenannte Dendriten, astartige Kristallstrukturen an den Elektroden. Diese können beim wiederholten Aufladen eines solchen Akkus entstehen und sind zunächst nicht weiter auffällig. Wird der Dendrit aber so lang, dass er schließlich die Gegenelektrode erreicht, ist ein Kurzschluss und eine unkontrollierte Entladung die Folge.

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Das solche Dendriten an der Kathode einer Lithium-Batterie entstehen können, ist bekannt. Wie und warum das geschieht, schon weniger. Jetzt haben Chemiker der Universität Ulm ein Modell entwickelt, das erklärt, wie und warum bestimmte Metalle bei der Abscheidung Dendriten bilden.

Was Lithium-Akkus explosiv macht

Um die Energiewende zu meistern und die Elektromobilität voranzubringen, braucht es neue, hochleistungsfähige Batterien. Bisher treiben vor allem Lithium-Ionen-Akkus Smartphones, Laptops oder Elektroautos an. Doch gerade für die Anforderungen der Elektromobilität ist die Leistungsfähigkeit dieser Batterien begrenzt.

Das Problem: Um Kurzschlüsse zu vermeiden, sind Lithium-Ionen in Graphit eingelagert, was das Volumen und Gewicht der Akkus erhöht – und die Reichweite entsprechend sinken lässt. Batterien mit einer reinen Lithium-Elektrode hätten zwar eine deutlich höhere Energiedichte, neigen jedoch zur Dendritenbildung. 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 Batterie brennt ab.

Bisher verstehen wir noch nicht, warum Metalle wie Lithium Dendriten bilden, Kupfer oder beispielsweise Silber jedoch nicht. Andere Materialien formieren die gefährlichen Kristallstrukturen erst bei sehr großer Spannung. Doch jetzt haben Professor Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos vom Institut für Theoretische Chemie der Universität Ulm ein Modell entwickelt, das die Entstehung der astartigen Dendriten erklären soll.

Batterie-Berechnungen auf dem Supercomputer

Auf dem Ulmer 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 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. 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 Professor Schmickler.

Und nicht nur das: Auch die Oberflächenspannung hat einen Einfluss auf das Entstehen der Kristall-„Äste“ – und nimmt mit zunehmender Ladung ab, was das Entstehen von Vorsprüngen auf der Oberfläche begünstigt. Santos und Schmickler vergleichen diesen Vorgang mit Spülmittel, das die Bildung von Blasen im Wasser erleichtert.

Kommt jetzt der feuerfeste Lithium-Akku?

Diese Erkenntnisse sind kompatibel mit bisherigen Forschungsergebnissen. Allerdings haben Schmickler und Santos mit ihren Berechnungen erstmals ein Modell auf atomarer Ebene entwickelt. Dieses lässt sich auf andere Metalle übertragen und erklärt gleichzeitig, warum beispielsweise Kupfer keineswegs 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“, erläutert Dr. Elizabeth Santos.

Damit 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.

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