Es passiert sehr selten, dennoch passiert es: Brennende E-Autos, die gleichzeitig als schwer löschbar gelten, erhöhen eher die Skepsis gegenüber der E-Mobilität. Lithiumbasierte Batterien gelten als extrem leistungsfähig – aber auch als hochexplosiv. Beim wiederholten Aufladen eines solchen Akkus bilden sich innerhalb der Batterie Dendriten – Auswüchse –, die einen Kurzschluss auslösen können.
Wie diese Auswüchse in den E-Autos entstehen und die Brände verursachen, können nun Wissenschaftler der Universität Ulm erklären. Die Chemiker Wolfgang Schmickler und Elizabeth Santos haben ein atomares Modell entwickelt, welches die Prozesse veranschaulicht, teilt die Universität Ulm mit. Daraus resultiert, dass künftig daran geforscht werden kann, die Sicherheit der Akkus zu erhöhen.
Bei dem regulären Prozess der Abscheidung innerhalb eines Akkus bilden sich kleine Unebenheiten. Verbildlicht sind dies Vorsprünge, die auf der Oberfläche der Elektrode entstehen. Die negative Ladung konzentriert sich dann auf die Spitzen der Oberflächen und zieht positiv geladene Lithium-Ionen an. Somit wachsen dann diese Spitzen weiter, bis sie Auswüchse bilden. Wenn diese Dendriten schließlich die Gegenelektrode erreichen, können diese mit entflammbaren Elektrolyten einen Kurzschluss erzeugen. Die Batterie eines E-Autos brennt ab; ein Phänomen, welches auch bei Smartphones beobachtet werden kann.
Deshalb sind andere Metalle nicht betroffen
Die Berechnungen von Schmickler und Santos wurden erstmals mit einem Modell auf atomarer Ebene entwickelt. Dieses lässt sich auf andere Metalle übertragen und erklärt gleichzeitig, warum beispielsweise Kupfer keineswegs anfällig für Dendriten ist. "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 weiterwachsen und Dendriten bilden", erläutert Santos.
Bedeutung für die Wissenschaft und die E-Mobilität
Die Erkenntnisse selbst seien zunächst theoretisch relevant, wie die Autoren betonen. Obwohl das Modell voraussagt, wie die Bildung von den Auswüchsen vermieden werden könnte, wäre ein Lösungsmittel erforderlich, welches momentan aber noch nicht alle Anforderungen zur Problembekämpfung erfülle.
Aber wenn ein solches entwickelt wird, könnte es die E-Mobilität stark beeinflussen: So gilt die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Akkus als begrenzt. Denn um Kurzschlüsse zu vermeiden, sind Lithium-Ionen in Graphit eingelagert, was das Volumen und Gewicht der Akkus erhöht – und die Reichweite entsprechend sinken lässt. Batterien mit einer reinen Lithium-Elektrode hätten eine deutlich höhere Energiedichte, neigen eben zur Dendritenbildung. Daran könnte aber mit der neuen Erkenntnis gearbeitet werden. (gun)
