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

Der geheimnisvolle Feind im Inneren jeder Batterie

Ein amerikanisches Forscherteam hat als erstes die mechanischen Eigenschaften mikroskopischer Strukturen untersucht, die sich direkt im Inneren von Lithium-Akkumulatoren bilden. Die Ergebnisse verändern grundlegend das bisherige Verständnis des Batterieaufbaus.

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

Mit jedem Ladezyklus verlängern sich diese Strukturen. Sobald sie den Separator durchdringen, entsteht eine direkte Verbindung zwischen beiden Elektroden. Die elektrische Ladung fließt dann nicht mehr durch den äußeren Stromkreis, sondern schließt direkt im Inneren des Akkus kurz – mit unangenehmen Folgen wie Überhitzung, Kapazitätsverlust und im Extremfall sogar Brandgefahr.

Schätzungen zufolge leiden jährlich Millionen von Akkumulatoren weltweit unter diesem schleichenden Schaden. Hersteller begegnen dem Problem meist mit Reservekapazität und ausgefeilten Sicherheitssystemen – doch die Gesetze der Physik lassen sich nicht endlos umgehen.

Alle lagen falsch – Dendriten sind keineswegs weich

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

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

Was sie sahen, stimmte kaum mit den Lehrbüchern überein. Statt einer gleichmäßigen plastischen Verformung brachen die Lithiumnadeln abrupt – ohne vorheriges Biegen, ohne schrittweiges Nachgeben. Dendriten verhalten sich wie spröde, steife Mikronadeln, nicht wie ein nachgiebiges weiches Metall.

Die gemessene Zugfestigkeit erreichte etwa 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 buchstäblich in Bruchteilen einer Sekunde bildet.

Warum Lithium-Batterien an Kapazität verlieren und in Brand geraten können

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

• Mikroskopische Lithiumnadeln durchdringen den Separator und erzeugen interne Kurzschlüsse
• Mit jedem Ladezyklus wachsen und verlängern sich die Dendriten weiter
• Die Oxidschicht auf ihrer Oberfläche verändert das Materialverhalten von nachgiebig zu spröde
• Abgebrochene Dendritenfragmente sammeln sich im Inneren der Batterie als totes Lithium
• Dieses Lithium nimmt nicht mehr an der elektrochemischen Reaktion teil, verbleibt aber im Elektrolyt
• 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 Batteriekapazität um Dutzende von Prozent. Der Nutzer erlebt dies als immer kürzer werdende Betriebsdauer seines Telefons oder als abnehmende Reichweite des Elektroautos. Die Zelle sieht äußerlich nicht verschlissen aus, doch ein Großteil des Materials ist elektrochemisch unbrauchbar geworden.

Die nanometerdicke Oxidschicht ist zwar nur wenige Nanometer stark, verändert jedoch die Materialeigenschaften 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 die Physik der Dendriten blockiert

Die ganze Geschichte gewinnt noch mehr Brisanz, 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 dreimal höhere Energiedichte bedeuten würde. Ein Elektroauto könnte nicht dreihundert, sondern problemlos achthundert bis neunhundert Kilometer mit einer Ladung zurücklegen – ohne größere Batterie.

Das klingt nach dem heiligen Gral der Elektromobilität. Kein Wunder, dass Automobilkonzerne Milliarden in diese Forschung investieren. Doch genau in diesen Batterien sind Dendriten am gefährlichsten – sie wachsen schneller und in größerer Zahl als in klassischen Lithium-Ionen-Zellen.

Die gemessene mechanische Festigkeit der Mikrostrukturen überraschte selbst die Forscher. Die steifen Nadeln sind in der Lage, den Separator zu durchbohren, aber auch viele polymer- und keramikbasierte Materialien. Das erklärt, warum aktuelle Konzepte mit Festkörperelektrolyten bislang nicht ausreichen. Es ist ein bisschen wie mit einer sehr scharfen Stahlnadel – selbst scheinbar robuster Gummi hält sie nicht auf.

Neues Verständnis von Batterien: Materialien müssen harten Nadeln standhalten

Aktuelle Konzepte für sicherere Akkumulatoren stützen sich vor allem auf sogenannte Festkörperelektrolyte. Die Theorie besagt, ein solches Material sei widerstandsfähiger als eine Flüssigkeit und könne das Dendritenwachstum wie ein Panzer aufhalten. Die neuesten Ergebnisse legen jedoch nahe, dass das 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 harten Oxidschicht eingeschränkt und die Wachstumsweise der Nadeln verändert werden. Die zweite Richtung sind Separatoren mit flexibler Struktur, die nicht nur stabiler sind, sondern mechanische Spannungen teilweise absorbieren können.

Der dritte Weg sind Elektrolytzusätze – chemische Verbindungen, die die Kristallstruktur neu entstehender Dendriten so steuern, dass sie langsamer oder in weniger gefährliche Richtungen wachsen. Solche Lösungen könnten dafür sorgen, dass künftige Hochenergiebatterien nicht nur leistungsfähiger, sondern auch deutlich langlebiger und sicherer werden.

Elektroautohersteller warten genau auf diesen Typ von 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 Energiespeicherung bedeutet

Sollte es gelingen, Dendriten wirklich zu bändigen, könnten Lithium-Metall-Akkumulatoren zum Standard in Fahrzeugen werden, deren Reichweite mit Verbrennern vergleichbar – oder sogar größer – wäre. Für den alltäglichen 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 für Energiespeicher von Solar- und Windkraftanlagen geeignet. Dort zählt jede Kilowattstunde pro Batteriegehäuse und die Anzahl der Zyklen, die das System ohne Austausch bewältigt. Langlebigere und stabilere Akkumulatoren könnten die Kosten für die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Quellen erheblich senken – eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende.

Für den Endverbraucher bietet dieser Perspektivwechsel vor allem eines: die reale Hoffnung, dass Batterien in Telefonen, Laptops und Autos in einigen Jahren nicht mehr ein Synonym für schnellen Verschleiß und Brandgefahr sind. Stattdessen könnten sie zu einem zuverlässigen und langlebigen Bestandteil des täglichen Lebens werden. Haben Sie selbst Erfahrungen mit einem schnellen Kapazitätsverlust beim Akku Ihres Smartphones oder E-Bikes gemacht?