Neue Theorie zu Dendritenbildung in Li-Ionen-Batterien

Chemiker der Universität Ulm leisten einen wichtigen Beitrag zur Batterieforschung. Ihre Berechnungen erklären, wie und warum bestimmte Metalle bei der Abscheidung Dendriten bilden.

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Professor Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos vom Institut für Theoretische Chemie der Universität Ulm haben ein Modell entwickelt, das die Entstehung der astartigen Dendriten in Batterien erklärt. Mithilfe einer Weiterentwicklung der Density-functional theory (DFBT+) haben sie auf dem Ulmer Supercomputer Justus 2 Berechnungen durchgeführt. Die in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" publizierten Ergebnisse führen zu einem neuen Modell der Dendritenbildung auf atomarer Ebene. 

Demnach verfügt jedes Metall über einen so genannten Ladungsnullpunkt. Bei Abscheidungen unterhalb dieses Punktes – also bei einer negativ geladenen Elektrode – entstehen die kristallartigen Dendriten. "Bei der Abscheidung bilden sich immer wieder kleine Unebenheiten wie Vorsprünge auf der Oberfläche. Den Gesetzen der Elektrostatik folgend, konzentriert sich die negative Ladung auf den Spitzen solcher Cluster und zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen an", erklärt Professor Schmickler. Diese Spitzen wachsen weiter zu Dendriten. Diese können im Zusammenspiel mit entflammbaren Elektrolyten einen Kurzschluss verursachen.

Dendritenbildung theoretisch verhinderbar

Mit ihrem neuen Modell zeigen die Chemiker, warum einige Materialien Dendriten bilden und andere nicht. "Bei Metallen wie Kupfer oder Silber ist die Oberfläche bei der Abscheidung positiv geladen. Bildet sich dort ein kleiner Vorsprung auf der Oberfläche, sammelt sich eine positive Ladung an. Diese stößt die positiv geladenen Metall-Ionen ab, das Cluster kann nicht weiter wachsen und Dendriten bilden", erläutert Dr. Elizabeth Santos. Die Ergebnisse haben zunächst vor allem theoretische Relevanz, da zur Vermeidung der Dendritenbildung ein Lösungsmittel erforderlich wäre, das widersprüchliche Anforderungen erfüllt.