Silber verstärkt Festkörperbatterien gegen Risse beim Schnellladen

Kleine, im Inneren von Batterien verborgene Mängel bremsen unbemerkt, wie schnell sie geladen werden können und wie sicher sie arbeiten. Da Schnellladen bei Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen zunehmend zum Standard wird, wachsen diese winzigen Defekte zu einem erheblichen Problem heran.

Besonders ausgeprägt ist diese Herausforderung bei Festkörper-Lithiummetallbatterien, die brennbare Flüssigkeiten durch harte Keramikschichten ersetzen.

Dieser Wechsel verspricht zwar sicherere und leistungsstärkere Zellen, doch die feste Schicht kann beim Laden oder in der Fertigung unter Druck Risse bekommen. Entsteht ein Riss, kann Lithium eindringen und einen plötzlichen Ausfall auslösen.

Ingenieurinnen und Ingenieure der Stanford University stellen nun eine unauffällige Methode vor, um diese empfindliche Schicht zu verstärken, ehe sich Schäden ausbreiten.

Das Team untersuchte, ob geringfügige Veränderungen an der Oberfläche Festkörperbatterien widerstandsfähiger gegen die Belastungen des Schnellladens machen können, ohne den Energiefluss zu bremsen.

Das Potenzial von Festkörperbatterien

Die meisten Lithium-Ionen-Zellen enthalten einen flüssigen Elektrolyten – die ionentransportierende Flüssigkeit zwischen den beiden Elektroden –, dessen Lösungsmittel bei Beschädigung brennen kann.

Bei Festkörperausführungen wird diese Flüssigkeit durch eine keramikartige oder glasähnliche Platte ersetzt, die Ionen durchlässt und zugleich Leckagen verhindert.

Eine Übersichtsarbeit aus 2022 stellte fest, dass gefährliche Hitze und Gase dennoch entstehen können, wenn Lithium in Festkörperbatterien unkontrolliert wächst.

Dieses Risiko lenkt die Aufmerksamkeit der Forschung auf die harte mittlere Schicht, da sie sowohl chemischen Reaktionen als auch mechanischem Druck standhalten muss.

Verstärkung mit Silber von innen

Im Mittelpunkt der Arbeit stand eine harte Keramik namens LLZO, die bereits in experimentellen Festkörperbatterien Lithium transportiert, ohne brennbare Flüssigkeiten zu benötigen.

Die Forschenden brachten auf die Oberfläche eine extrem dünne Silberschicht auf und erwärmten sie schonend, sodass das Metall knapp unter die äußerste Lage gelangen konnte.

In dieser geringen Tiefe ersetzten einige Silberatome Lithium, anstatt eine eigenständige Beschichtung zu bilden. Dieser feine Austausch verstärkte die Oberfläche von innen heraus, ohne zusätzliches Volumen zu schaffen oder den Transport von Lithium beziehungsweise Elektrizität zu beeinträchtigen.

Indem Silber die Oberfläche leicht verdichtete, erzeugte es eine gleichmäßige innere Druckspannung, die das Entstehen und Ausbreiten von Rissen erschwert.

Unter batterieähnlichen Bedingungen begrenzte die höhere Widerstandsfähigkeit zudem, dass Lithium beim Laden in kleinste Fehlstellen eindringen konnte. Dadurch sank das Risiko, dass aus geringfügigen Defekten Kurzschlüsse werden.

Risse in Batterien unter Druck testen

Um die Festigkeit unmittelbar zu bestimmen, drückte das Team eine winzige Sonde in das Material, bis Risse auftraten.

Die mit Silber behandelte Oberfläche hielt fast fünfmal mehr Kraft aus, bevor sie brach, als die unbehandelte Variante. Das zeigt, dass sie bereits vor Beginn eines Ladevorgangs robuster war.

Das ist für Fertigung und Handhabung relevant, weil Festkörperbatterieschichten regelmässig zugeschnitten, gestapelt und verdichtet werden.

Die zusätzliche Festigkeit veränderte auch das Verhalten von Lithium beim Schnellladen. Sammelt sich Lithium rasch an der Anode an, können sich nadelartige Dendriten bilden, die Spannung in Oberflächenrisse leiten und diese weiter ins Material treiben.

Auf der silberbehandelten Oberfläche entstanden Risse anders, wodurch sich Lithium eher über die Oberfläche verteilte, statt nach innen vorzudringen.

Dieses breiter verteilte Abscheidungsverhalten könnte beim Laden mit hoher Stromstärke wertvolle Zeit verschaffen, muss jedoch noch in vollständigen Batteriezellen bestätigt werden.

Suche nach günstigeren Lösungen

Silber ist zwar wirksam, aber nicht preiswert. Deshalb prüften die Forschenden weitere Metalle, die eine vergleichbare Oberflächenverstärkung ermöglichen könnten.

Erste Laborversuche deuteten darauf hin, dass auch Kupfer LLZO härten kann, weil seine Ionen nach dem Erhitzen in Oberflächenplätze passen können.

„Wir entschieden, dass eine schützende Oberfläche möglicherweise realistischer ist, und schon eine kleine Menge Silber scheint ihre Aufgabe ziemlich gut zu erfüllen“, sagte die Mitautorin der Studie X. Wendy Gu, Professorin am Department of Mechanical Engineering der Stanford University.

Diese Flexibilität gewinnt an Bedeutung, da die Nachfrage nach Lithiumbatterien weiter steigt und Lieferketten zunehmend unter Druck geraten. Dieselbe Oberflächenstrategie könnte später sogar Natriumzellen unterstützen und damit den Druck auf Lithium-Lieferketten verringern.

Beschichtungen über das Labor hinaus

Bislang wurde die Silberbehandlung nur an kleinen Elektrolytproben getestet, nicht an vollständigen Batteriezellen, an denen beide Elektroden angebracht sind.

Komplette Zellen bringen zusätzliche Schwachstellen an ihren Grenzflächen mit sich, wo schlechter Kontakt den Ionenfluss verlangsamen und die Wärmeentwicklung erhöhen kann.

Dennoch veränderte die Beschichtung den Strom- oder Lithiumtransport an der Oberfläche nicht merklich. Das spricht dafür, dass die verbesserte mechanische Festigkeit die wichtigste Ursache des Fortschritts ist.

Im Verlauf der Studie machte diese auf die Oberfläche ausgerichtete Lösung aus einer bekannten Schwachstelle eine robustere Barriere gegen Rissbildung und das Eindringen von Lithium.

Sollten spätere Tests bestätigen, dass diese Haltbarkeit über viele Ladezyklen erhalten bleibt, könnte der Ansatz mit anderen Strategien zur Stabilisierung von Festkörperbatterien kombiniert werden.

Die Herausforderung der Massenproduktion

Der Schritt vom Labor in die Fabrik bringt eine weitere Schwierigkeit mit sich. Bei der Montage werden Festelektrolytfolien tausendfach zugeschnitten, gestapelt und verdichtet, weshalb kleinste Unregelmässigkeiten nahezu unvermeidlich sind.

Wie eine forschende Person anmerkte, wäre es äusserst schwierig und kostspielig, makellos fehlerfreie Schichten im grossen Massstab herzustellen.

Ob die silberbehandelte Oberfläche unter diesen Bedingungen bestehen kann, wird darüber entscheiden, ob die Technik in kommerziellen Batterien zum Einsatz kommt. Hersteller müssen ausserdem Kosten und Auswirkungen auf das Recycling berücksichtigen.

Bildnachweis: Chaoyang Zhao