Wachstum von zerstörerischen Dendriten in Elektrolyten entdeckt

Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben erstmals gezeigt, dass gefährliche Lithium-Dendriten nicht nur an Elektroden, sondern auch im polymerbasierten Elektrolyten wachsen. Diese Entdeckung stellt zentrale Annahmen der Batterieforschung infrage und weist Wege zu sichereren Festkörperbatterien.

Forschende der TUM haben ein Phänomen entdeckt, das die Batteriewelt verändern könnte. Lithium-Dendriten, feine Metallstrukturen, die in Lithium-Metall-Batterien gefährliche Kurzschlüsse verursachen können, wachsen nicht nur an den Elektroden, wie bislang angenommen, sondern auch mitten im polymerbasierten Elektrolyten. Diese Entdeckung stellt eine grundlegende Annahme der Batterieforschung infrage und liefert entscheidende Hinweise für die Entwicklung sichererer, langlebigerer Energiespeicher der nächsten Generation.

Dendriten – unsichtbar, aber gefährlich

Lithium-Metall-Batterien gelten als eine der vielversprechendsten Speichertechnologien der Zukunft. Sie bieten eine bis zu doppelt so hohe Energiedichte wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – ein enormes Potenzial für Elektromobilität, tragbare Elektronik und stationäre Energiespeicherung.

Doch mikroskopisch feine Lithium-Dendriten bremsen seit Jahren die Kommerzialisierung dieser Technologie: Wachsen sie unkontrolliert, können sie die Trennschicht zwischen Anode und Kathode durchstoßen, einen internen Kurzschluss verursachen und schlimmstenfalls Brände oder Explosionen verursachen.

Bisher galt, dass feste Elektrolyte – insbesondere polymere Materialien – dieses Problem lösen könnten, da sie stabiler und nicht brennbar sind. Doch das Forschungsteam der TUM widerlegte nun diese Annahme. "Unsere Messungen zeigen, dass das Wachstum von Dendriten auch direkt im Polymer-Elektrolyten stattfinden kann – also mitten im Material, das eigentlich vor den Dendriten schützen soll", erklärt Fabian Apfelbeck, Physiker und Erstautor der Studie, die im Fachjournal Nature Communications im Februar 2025 erschienen ist. Apfelbeck promoviert am Lehrstuhl für Funktionale Materialien der TUM und wird durch den Exzellenzcluster e-conversion gefördert.

Nanofokus-Röntgen zeigt neue Mechanismen

Um diesen bisher unbekannten Prozess sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden sogenannte Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuexperimente am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Damit konnten sie Veränderungen innerhalb des Elektrolyten unter realen Lade- und Entladebedingungen beobachten.

Die Aufnahmen zeigten, dass sich Lithium nicht nur an der Elektrode, sondern auch im Inneren des Elektrolyten ablagert – teilweise in bis zu 16 Mikrometern Entfernung von der Elektrode. Dort entstehen durch lokale chemische Reduktionsprozesse metallisches Lithium, Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid, die als Keime für weiteres Dendritenwachstum dienen können.

Im Verlauf mehrerer Ladezyklen zeigte sich zudem, dass die Bildung metallischen Lithiums den Ionentransport verschlechtert – die Zelle wird träger und ineffizienter. "Bislang galt: Dendritenwachstum findet nur an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt statt. Dass es auch weit davon entfernt auftritt, hat uns überrascht", sagt Müller-Buschbaum. "Dieses neue Wissen hilft uns dabei, Materialien zu entwickeln, in denen solche internen Kristallisationsprozesse gar nicht erst auftreten – für effizientere, sichere und langlebige Energiespeicher."

Konsequenzen für Materialentwicklung und Sicherheit

Die Erkenntnisse der TUM-Forschenden haben unmittelbare Konsequenzen für die Entwicklung künftiger Festkörper- und Polymerbatterien. Schutzstrategien müssen künftig nicht die Grenzflächen, sondern auch den Elektrolyten selbst berücksichtigen. Denkbar sind beispielsweise polymerbasierte Elektrolyte mit gezielter Molekülarchitektur, die die Beweglichkeit von Lithiumionen verbessert, ohne dabei das Risiko metallischer Ablagerungen zu erhöhen. Auch Additive, die die Löslichkeit von Lithiumverbindungen verringern oder die Bildung unerwünschter Kristallite hemmen, könnten eine Rolle spielen.

Langfristig könnte die Forschung dazu beitragen, Polymer-Elektrolyte zu entwickeln, die sowohl sicher als auch leistungsfähig sind – ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur massentauglichen Festkörperbatterie.

Die Studie entstand im Rahmen des Exzellenzclusters e-conversion und wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), den Bayerischen Forschungsverbund "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech) und das Helmholtz-Zentrum Hereon unterstützt.