Wissenschaftler enthüllen, warum Lithium-Akkus so schnell an Kapazität verlieren

Der verborgene Feind in jedem Akku

Ein amerikanisches Forscherteam hat erstmals die mechanischen Eigenschaften winziger Strukturen untersucht, die sich direkt im Inneren von Lithium-Akkumulatoren bilden. Die Ergebnisse verändern grundlegend, wie wir Batterien konstruieren und verstehen.

Ein klassischer Lithium-Ionen-Akku – ob im Smartphone oder im Elektroauto – besteht aus zwei Elektroden, die durch eine dünne Isolierschicht, den sogenannten Separator, voneinander getrennt sind. Bei jedem Ladevorgang beginnen auf der Oberfläche der Lithium-Anode winzige mikroskopische Nadeln zu wachsen. Wissenschaftler nennen diese Gebilde Dendriten – ihr Durchmesser ist bis zu hundertmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares.

Mit jedem Ladezyklus werden diese Strukturen länger. Sobald sie den Separator durchdringen, entsteht eine direkte Verbindung zwischen beiden Elektroden. Der elektrische Strom fließt dann nicht mehr durch den äußeren Stromkreis, sondern kurzschließt direkt im Inneren der Zelle – mit unangenehmen Folgen wie Überhitzung, Kapazitätsverlust und im schlimmsten Fall sogar Feuer.

Schätzungen zufolge leiden jährlich Millionen von Akkumulatoren weltweit unter diesen fortschreitenden Schäden. Hersteller begegnen dem Problem üblicherweise mit Reservekapazitäten und ausgefeilten Sicherheitssystemen – doch die Gesetze der Physik lassen sich nicht auf Dauer umgehen.

Alle lagen falsch – Dendriten sind alles andere als weich

Jahrelang herrschte in der Fachwelt die Annahme, dass Dendriten ähnliche mechanische Eigenschaften besitzen wie reines Lithium im festen Zustand. Die Logik dahinter schien einleuchtend: Sie entstehen schließlich aus Lithium, warum sollten sie sich anders verhalten? Auf dieser Grundlage wurden ganze Schutzstrategien für Batterien entwickelt – von neuen Elektrolyten bis hin zu verstärkten Separatoren.

Ein Forscherteam des New Jersey Institute of Technology und der Rice University beschloss, diese bequeme Hypothese einer strengen experimentellen Prüfung zu unterziehen. Sie arbeiteten mit einem hochentwickelten Elektronenmikroskop in einer Vakuumumgebung, um den Einfluss von Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit auszuschließen. Dann bogen sie buchstäblich einzelne Dendriten und beobachteten, wie diese auf mechanische Belastung reagierten.

Was sie sahen, stimmte mit keinem Lehrbuch überein. Statt einer gleichmäßigen plastischen Verformung brachen die Lithiumnadeln ohne jede Vorwarnung – ohne vorheriges Biegen, ohne allmähliches Nachgeben. Dendriten verhalten sich wie spröde, starre Mikronadeln, nicht wie ein geschmeidiges, weiches Metall.

Die gemessene Zugfestigkeit erreichte rund 150 Megapascal, während festes Lithium lediglich 0,6 Megapascal aufweist. Diese Strukturen sind also mehr als zweihundertmal härter als das Material, aus dem sie entstehen. Die Erklärung: Eine hauchdünne Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche der Nadeln in Sekundenbruchteilen bildet.

Warum Lithium-Akkus Kapazität verlieren und Feuer fangen können

Die Forscher identifizierten eine ganze Kette von Problemen, die Dendriten verursachen:

• Mikroskopische Lithiumnadeln durchdringen den Separator und erzeugen interne Kurzschlüsse
• Mit jedem Ladezyklus wachsen die Dendriten weiter und werden länger
• Die Oxidschicht auf ihrer Oberfläche verändert das Materialverhalten von geschmeidig zu spröde
• Abgebrochene Dendriten-Fragmente sammeln sich im Inneren des Akkus als totes Lithium an
• Dieses Lithium nimmt nicht mehr an der elektrochemischen Reaktion teil, verbleibt aber im Elektrolyten
• Die Menge des aktiven Lithiums sinkt mit jedem Zyklus – und damit die Gesamtkapazität
• Elektroautos verlieren schrittweise ihre Reichweite, Smartphones ihre Akkulaufzeit

Jeder Ladevorgang erzeugt neue Bruchstücke. Im Laufe der Zeit sinkt die Akkukapazität um mehrere zehn Prozent. Der Nutzer bemerkt dies als immer kürzere Betriebszeit seines Smartphones oder als schrumpfende Reichweite des Elektroautos. Der Akku sieht äußerlich nicht verschlissen aus – doch ein großer Teil des Materials ist elektrochemisch unbrauchbar geworden.

Die nanometerdicke Oxidschicht ist zwar nur wenige Nanometer stark, verändert aber die Eigenschaften des Materials vollständig – aus einem weichen Metall wird eine harte, spröde Struktur, die eher an Keramik als an Metall erinnert.

Die dreifache Reichweite von Elektroautos wird durch Dendriten blockiert

Die ganze Geschichte gewinnt noch mehr Dringlichkeit, wenn man sie im Kontext der Lithium-Metall-Batterien betrachtet. Bei diesem Konzept ersetzt reines Lithium die Graphitanode, was in der Praxis eine bis zu dreifach höhere Energiedichte bedeuten würde. Ein Elektroauto könnte nicht dreihundert, sondern locker achthundert bis neunhundert Kilometer mit einer einzigen Ladung zurücklegen – ohne dass die Batterie größer werden müsste.

Das klingt wie der heilige Gral der Elektromobilität. Kein Wunder, dass Automobilkonzerne Milliarden in diese Forschung investieren. Doch gerade in diesen Batterien sind Dendriten am gefährlichsten – sie wachsen schneller und in größerer Anzahl als in klassischen Lithium-Ionen-Zellen.

Die gemessene mechanische Festigkeit der Mikrostrukturen überraschte selbst die Forscher. Die starren Nadeln sind in der Lage, den Separator zu durchdringen, aber auch viele polymer- und keramikbasierte Materialien. Das erklärt, warum aktuelle Konzepte für Festkörper-Elektrolyte bislang nicht ausreichen. Es ist ein bisschen wie mit einer sehr scharfen Stahlnadel – eine scheinbar feste Gummischicht hält sie nicht auf.

Neues Verständnis von Akkus: Materialien müssen harten Nadeln standhalten

Aktuelle Konzepte für sicherere Akkumulatoren stützen sich vor allem auf sogenannte Festkörper-Elektrolyte. Die Theorie besagt, dass ein solches Material widerstandsfähiger als eine Flüssigkeit sein und das Dendritenwachstum wie eine Rüstung aufhalten sollte. Die neuesten Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass dies allein nicht ausreicht.

Die Forscher schlagen drei mögliche Entwicklungsrichtungen vor. Die erste ist die Entwicklung neuer Lithiumlegierungen – durch Beimischung anderer Elemente soll die Bildung der starren Oxidschicht eingeschränkt und die Wachstumsweise der Nadeln verändert werden. Der zweite Ansatz sind Separatoren mit flexibler Struktur, die nicht nur fester sind, sondern mechanische Spannungen teilweise absorbieren können.

Der dritte Weg sind Elektrolyt-Zusätze – chemische Verbindungen, die die Kristallstruktur neu entstehender Dendriten so steuern, dass sie langsamer oder in weniger gefährliche Richtungen wachsen. Solche Lösungen könnten sicherstellen, dass zukünftige Hochenergie-Batterien nicht nur leistungsfähiger, sondern auch deutlich langlebiger und sicherer werden.

Elektroautohersteller warten genau auf diesen Durchbruch – denn von der Sicherheit und Lebensdauer der Zellen hängt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Verkehrswende ab. Ein einziges gut durchgeführtes Experiment kann die Richtung einer ganzen Branche verändern.

Was das für Elektroautos und Energiespeicher bedeutet

Würde es gelingen, Dendriten wirklich unter Kontrolle zu bringen, könnten Lithium-Metall-Akkus zum Standard in Fahrzeugen werden, deren Reichweite mit Verbrennungsautos mithalten kann – oder diese sogar übertrifft. Für den normalen Fahrer würde das bedeuten: Laden alle paar Tage statt täglich an der Steckdose, und deutlich weniger Sorgen bei längeren Fahrten.

Dieselben Zellen wären auch hervorragend als Energiespeicher für Photovoltaik- und Windkraftanlagen geeignet. Dort kommt es auf jede Kilowattstunde pro Batterieeinheit und auf die Anzahl der Zyklen an, die das System ohne Austausch bewältigt. Langlebigere und stabilere Akkumulatoren könnten die Kosten für die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien erheblich senken – eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende.

Für den Endnutzer bietet dieser Perspektivwechsel vor allem eines: begründete Hoffnung, dass Akkus in Smartphones, Laptops und Autos in einigen Jahren nicht mehr Synonym für schnellen Verschleiß und Brandgefahr sein werden. Stattdessen könnten sie zu einem zuverlässigen und langlebigen Bestandteil des Alltags werden. Haben Sie selbst schon erlebt, wie schnell der Akku in Ihrem Smartphone oder E-Bike an Kapazität verloren hat?