Forscher entdecken, warum Lithium-Akkus so schnell an Kapazität verlieren

Ein amerikanisches Forscherteam hat erstmals die mechanischen Eigenschaften winziger Strukturen untersucht, die sich im Inneren von Lithium-Akkus bilden

Die Erkenntnisse stellen alles in Frage, was wir bislang über das Design von Batterien zu wissen glaubten. Was dabei zutage kam, ist nicht weniger als ein Paradigmenwechsel.

Ein handelsüblicher Lithium-Ionen-Akku – ob im Smartphone oder im Elektroauto – besteht aus zwei Elektroden, die durch eine hauchdünne isolierende Schicht, den sogenannten Separator, voneinander getrennt sind. Beim Laden wachsen auf der Oberfläche der Lithium-Anode mikroskopisch kleine Nadeln, die Wissenschaftler als Dendriten bezeichnen. Ihr Durchmesser ist bis zu hundertmal kleiner als ein menschliches Haar.

Wenn Nadeln zum Problem werden

Diese Strukturen wachsen mit jedem Ladevorgang weiter. Sobald sie lang genug sind, um den Separator zu durchdringen, entstehen interne Kurzschlüsse. Anstatt durch den äußeren Stromkreis zu fließen, wandert die Ladung direkt von einer Elektrode zur anderen.

Die Folgen sind gravierend: rasante Erwärmung, Kapazitätsverlust und im schlimmsten Fall Brand oder Explosion. Schätzungen zufolge sind jährlich Millionen von Akkus von diesem schleichenden Schaden betroffen. Hersteller kaschieren das Problem meist durch Reservekapazität und aufwendige Sicherheitssysteme – doch die Gesetze der Physik lassen sich nicht dauerhaft austricksen.

Die bisherige Annahme war schlicht falsch – Dendriten sind alles andere als weich

Jahrelang galt die Annahme als selbstverständlich, dass Dendriten genauso formbar seien wie reines Lithium im festen Zustand. Schließlich entstehen sie aus diesem Material – warum sollten sie sich anders verhalten? Auf dieser Grundlage wurden ganze Schutzstrategien entwickelt, von neuen Elektrolyten bis hin zu verstärkten Separatoren.

Ein Team des New Jersey Institute of Technology und der Rice University beschloss, diese bequeme Hypothese experimentell zu überprüfen. Mit einem hochentwickelten Elektronenmikroskop im Vakuum – um den Einfluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit auszuschalten – bogen die Wissenschaftler einzelne Dendriten und maßen deren Reaktion auf mechanische Belastung.

Was sie sahen, passte in kein Lehrbuch. Statt einer gleichmäßigen Verformung brachen die Lithium-Nadeln abrupt – ohne vorheriges Biegen. Dendriten verhalten sich wie spröde, starre Mikronadeln, nicht wie weiches, biegsames 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. Der Grund dafür liegt in einer hauchdünnen Oxidschicht, die sich innerhalb von Sekundenbruchteilen auf der Oberfläche der Nadeln bildet.

Warum Lithium-Akkus Kapazität verlieren und in Brand geraten können

Die Forscher identifizierten mehrere zentrale Probleme, die direkt mit den Dendriten zusammenhängen:

• Mikroskopische Lithium-Nadeln durchdringen den Separator und verursachen interne Kurzschlüsse
• Mit jedem Ladevorgang wachsen die Dendriten weiter und werden länger
• Die Oxidschicht auf ihrer Oberfläche verwandelt das Material von weich zu spröde
• Abgebrochene Fragmente erzeugen sogenanntes totes Lithium im Inneren des Akkus
• Totes Lithium nimmt nicht mehr an der chemischen Reaktion teil, verbleibt aber im Elektrolyt
• Mit jedem Zyklus sinkt die Menge an aktivem Lithium – und damit die Gesamtkapazität
• Elektroautos verlieren schrittweise Reichweite, Smartphones halten weniger lang durch

Jeder Ladevorgang produziert neue Bruchstücke. Im Laufe der Zeit nimmt die Menge an aktivem Lithium ab, und die Akkukapazität sinkt um Dutzende von Prozent. Der Nutzer erlebt dies als immer kürzere Akkulaufzeit oder schwindende Reichweite – obwohl der Akku physisch kaum verschlissen ist. Ein Großteil des Materials wird schlicht elektrochemisch unbrauchbar.

Die Oxidschicht ist nur wenige Nanometer dünn, verändert aber das Verhalten des Materials grundlegend: Aus weichem Metall wird eine harte, spröde Struktur, die an Keramik erinnert.

Dreifache Reichweite bleibt wegen der Dendritenphysik ein Versprechen

Diese Erkenntnisse gewinnen besondere Bedeutung, wenn man die Technologie der Lithium-Metall-Akkus betrachtet. Bei dieser Lösung ersetzt reines Lithium die herkömmliche Graphit-Anode. Das würde theoretisch eine bis zu dreimal höhere Energiedichte ermöglichen – ein Elektroauto könnte statt dreihundert bis zu achthundert oder neunhundert Kilometer mit einer Ladung zurücklegen, ohne dass der Akku größer werden müsste.

Klingt nach dem heiligen Gral der Elektromobilität. Kein Wunder, dass Konzerne Milliarden in die Forschung investieren. Das Problem: Genau in solchen Akkus sind Dendriten am gefährlichsten – sie wachsen schneller und zahlreicher als in klassischen Lithium-Ionen-Akkumulatoren.

Die Forscher des NJIT haben eine mechanische Festigkeit gemessen, die selbst erfahrene Wissenschaftler überraschte. Die starren Mikrostrukturen sind in der Lage, Separatoren und sogar bestimmte Polymer- oder Keramikmaterialien zu durchdringen. Das erklärt, warum bisherige Konzepte mit Festkörperelektrolyten nicht ausreichen.

Wenn eine Lithium-Nadel härter ist als die meisten Polymere oder manche Keramiken, kann sie sich langsam durch selbst feste Materialien bohren – ähnlich wie eine scharfe Stahlnadel durch scheinbar festes Gummi dringt.

Neue Denkweise gefragt – Materialien müssen harten Nadeln standhalten

Aktuelle Konzepte für besonders sichere Akkus setzen häufig auf sogenannte Festkörperelektrolyte. In der Theorie sollte ein solches Material widerstandsfähiger als eine Flüssigkeit sein und das Dendritenwachstum wie ein Panzer blockieren. Die neuesten Ergebnisse zeigen jedoch, dass das allein nicht ausreicht.

Das Forscherteam skizziert drei mögliche Entwicklungsrichtungen:

• Neue Lithium-Legierungen: Durch Beimischung anderer Elemente soll die Bildung der harten Oxidschicht eingeschränkt und das Wachstum der Nadeln verändert werden
• Separatoren mit flexibler Struktur: Diese sollen nicht nur fester, sondern auch in der Lage sein, mechanischen Stress teilweise aufzunehmen
• Elektrolyt-Zusätze: Chemische Verbindungen, die die Kristallstruktur frisch entstehender Dendriten steuern, damit sie langsamer oder in eine sicherere Richtung wachsen

Solche Lösungen könnten künftige Hochenergie-Akkus nicht nur leistungsfähiger, sondern auch deutlich langlebiger und weniger anfällig für plötzliche Ausfälle machen. Die Hersteller von Elektrofahrzeugen warten genau auf diesen Durchbruch – denn von der Sicherheit und Lebensdauer der Zellen hängt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Verkehrswende ab.

Was das für Elektroautos und die Energiewende bedeutet

Wenn es gelingt, Dendriten vollständig zu beherrschen, könnten Lithium-Metall-Akkus zum Standard in Fahrzeugen werden, deren Reichweite mit klassischen Verbrennern mithalten oder diese sogar übertreffen kann. Für den Durchschnittsfahrer würde das bedeuten: Laden alle paar Tage statt täglich, und deutlich weniger Reichweitenangst auf langen Strecken.

Solche Zellen wären auch ideal für Energiespeicher in Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Dort zählt jede zusätzliche Kilowattstunde in einem Batteriegehäuse – und die Anzahl der Zyklen, die das System ohne Austausch übersteht. Langlebigere und stabilere Akkus könnten die Kosten für die Speicherung von Ökostrom erheblich senken – eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende.

Für den Endverbraucher bedeutet dieser Perspektivwechsel vor allem eines: eine reale Chance, dass die Akkus in Smartphones, Laptops und Autos in wenigen Jahren nicht mehr mit schnellem Verschleiß und Brandgefahr in Verbindung gebracht werden. Stattdessen könnten sie zu einem verlässlichen, langlebigen Bestandteil unserer alltäglichen Infrastruktur werden. Haben Sie selbst schon erlebt, wie der Akku Ihres Smartphones oder E-Bikes rapide an Kapazität verloren hat?