Neue Metalleigenschaften machen Akkus sicherer

08.02.2019 - Ulmer Forscher suchen zuverlässige Nachfolgetechnologien für den Lithium-Akku

Neue Metalleigenschaften machen Akkus sicherer
Schematische Darstellung des Dendritenwachstums in Akkus. Links: Glatte Anodenoberfläche und daher keine Dendritenbildung. Rechts: Raue Anodenoberfläche mit Dendritenbildung und dem

Plötzlich explodierende oder brennende Lithium-Akkus haben schon oft Schlagzeilen gemacht – mit verantwortlich ist das Wachsen so genannter Dendriten aus dem Anodenmetall, die die Diffusionsbarriere durchstoßen und so zu Kurzschlüssen führen. In einer jetzt in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ veröffentlichten Arbeit haben Forscher im Verbund des Helmholtz-Instituts Ulm ihren Blick auf die Eigenschaften dieser Metalle gelenkt, hier besonders auf die Selbstdiffusionsbarrieren. Diese Barrieren sind dafür verantwortlich, wie gleichmäßig sich Metallatome beim Wiederaufladen des Akkus, nach der Abscheidung, auf der Anoden-Oberfläche verteilen. „Wir haben uns gefragt, ob es eine einfache physikalisch-chemische Materialeigenschaft, einen so genannten Deskriptor gibt, mit dessen Hilfe man vorhersagen kann, ob metallische Anoden in Batterien zum Dendritenwachstum neigen. Dabei sind wir davon ausgegangen, dass die Beschaffenheit der Anoden-Oberfläche, ob rau oder glatt, einen erheblichen Einfluss auf die Dendritenbildung hat“, sagt Professor Axel Groß, Leiter des Instituts für Theoretische Chemie an der Uni Ulm sowie Gruppenleiter am HIU. Ein solcher Deskriptor wäre hochrelevant, denn weltweit suchen Forscher nach zuverlässigen Nachfolgesystemen für Lithium-Ionen-Batterien. Alternativen zum immer seltener werdenden Lithium, das in Energiespeichern meist in Kombination mit dem ebenfalls kritischen Übergangsmetall Kobalt verwendet wird, reichen von Aluminium, Natrium und Magnesium bis zu Zink. Die Ergebnisse der Berechnungen bestätigen die wichtige Rolle der Selbstdiffusionsbarrieren: Beim Wiederaufladen der Batterie, nach dem Abscheiden, verteilen sich Metallatome äußerst gleichmäßig, wenn die Diffusionsbarrieren niedrig sind. Entsprechende Materialien, beispielsweise Magnesium oder Aluminium, zeigen dadurch kein Dendritenwachstum.

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