{"id":78203,"date":"2022-01-05T02:34:00","date_gmt":"2022-01-05T01:34:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=78203"},"modified":"2022-01-03T09:35:16","modified_gmt":"2022-01-03T08:35:16","slug":"warum-lithium-akkus-explodieren-koennen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/warum-lithium-akkus-explodieren-koennen\/","title":{"rendered":"Warum Lithium-Akkus explodieren k\u00f6nnen"},"content":{"rendered":"\n

Neues Modell erkl\u00e4rt Dendritenwachstum in Batterien<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Lithiumbasierte Batterien sind extrem leistungsf\u00e4hig \u2013 aber wom\u00f6glich hochexplosiv. Beim wiederholten Aufladen eines solchen Akkus k\u00f6nnen sich sogenannte Dendriten<\/a> bilden, die einen Kurzschluss ausl\u00f6sen: die Batterie geht in Flammen auf. Bereits Anfang 2021 haben Chemiker der Universit\u00e4t Ulm<\/a> ein Modell entwickelt, das erkl\u00e4rt, wie und warum bestimmte Metalle bei der Abscheidung Dendriten bilden. Dieser f\u00fcr die Batterieforschung bedeutende wissenschaftliche Beitrag ist als \u201eHot paper\u201c in \u201eAngewandte Chemie<\/a>\u201c erschienen.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>
\u00a9 onlinelibrary.wiley.com | Angewandte Chemie<\/a> BY-NC-ND 4.0<\/a><\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Um die Energiewende zu meistern und die Elektromobilit\u00e4t voranzubringen, braucht die Welt neue, hochleistungsf\u00e4hige Batterien. Bisher treiben vor allem Lithium-Ionen-Akkus Smartphones, Laptops oder Elektroautos an. Doch gerade f\u00fcr die Anforderungen der Elektromobilit\u00e4t ist die Leistungsf\u00e4higkeit dieser Batterien begrenzt. Das Problem: Um Kurzschl\u00fcsse zu vermeiden, sind Lithium-Ionen in Graphit eingelagert, was das Volumen und Gewicht der Akkus erh\u00f6ht \u2013 und die Reichweite entsprechend sinken l\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n

Batterien mit einer reinen Lithium-Elektrode h\u00e4tten zwar eine deutlich h\u00f6here Energiedichte, neigen jedoch zur Dendritenbildung. Diese astartigen Ausw\u00fcchse entstehen allm\u00e4hlich beim Aufladen der Batterie an der negativen Elektrode. Wenn sie die Gegenelektrode erreichen, k\u00f6nnen diese Dendriten im Zusammenspiel mit entflammbaren Elektrolyten einen Kurzschluss verursachen \u2013 die Batterie brennt ab. Mit diesem Ph\u00e4nomen besch\u00e4ftigen sich nicht nur YouTube-Videos, sondern Forschende weltweit. Bisher ist allerdings noch nicht verstanden, warum Metalle wie Lithium Dendriten bilden, Kupfer oder beispielsweise Silber jedoch nicht. Weitere Materialien formieren die gef\u00e4hrlichen Kristallstrukturen erst bei sehr gro\u00dfer Spannung. Doch jetzt haben Professor Wolfgang Schmickler und Elizabeth Santos vom Institut f\u00fcr Theoretische Chemie <\/a>der Universit\u00e4t Ulm ein Modell entwickelt, das die Entstehung der astartigen Dendriten erkl\u00e4rt.<\/p>\n\n\n\n

Berechnungen auf dem Supercomputer<\/h5>\n\n\n\n

Auf dem Ulmer Supercomputer JUSTUS 2 <\/a>haben die Forschenden quantenchemische Berechnungen mithilfe einer Weiterentwicklung der Density-functional theory (DFBT+) durchgef\u00fchrt \u2013 mit dem Ergebnis: Jedes Metall verf\u00fcgt \u00fcber einen so genannten Ladungsnullpunkt. Wird das Metall bei Potenzialen unterhalb dieses Ladungsnullpunkts \u2013 also bei einer negativ geladenen Elektrode \u2013 abgeschieden, entstehen die kristallartigen Dendriten. \u201eBei der Abscheidung bilden sich immer wieder kleine Unebenheiten wie Vorspr\u00fcnge auf der Oberfl\u00e4che. Den Gesetzen der Elektrostatik folgend, konzentriert sich die negative Ladung auf den Spitzen solcher Cluster und zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen an. Somit wachsen diese Spitzen weiter und bilden schlie\u00dflich Dendriten\u201c, erkl\u00e4rt Schmickler. Dar\u00fcber hinaus konnten die Forschenden ein weiteres Ph\u00e4nomen nachweisen, das zur Dendritenbildung beitr\u00e4gt: Die negative Ladung verkleinert die Oberfl\u00e4chenspannung und f\u00f6rdert damit die Entstehung von Vorspr\u00fcngen auf der Oberfl\u00e4che. Santos und Schmickler vergleichen diesen Vorgang mit Sp\u00fclmittel, das die Bildung von Blasen im Wasser erleichtert.<\/p>\n\n\n\n

Diese Erkenntnisse sind kompatibel mit bisherigen Forschungsergebnissen. Allerdings haben Schmickler und Santos mit ihren Berechnungen erstmals ein Modell auf atomarer Ebene entwickelt. Dieses l\u00e4sst sich auf andere Metalle \u00fcbertragen und erkl\u00e4rt gleichzeitig, warum beispielsweise Kupfer keineswegs anf\u00e4llig f\u00fcr Dendriten ist. \u201eBei Metallen wie Kupfer oder Silber ist die Oberfl\u00e4che bei der Abscheidung positiv geladen. Bildet sich dort ein kleiner Vorsprung auf der Oberfl\u00e4che, sammelt sich eine positive Ladung an. Diese st\u00f6\u00dft die positiv geladenen Metall-Ionen ab, das Cluster kann nicht weiter wachsen und Dendriten bilden\u201c, erl\u00e4utert Santos.<\/p>\n\n\n\n

Welche praktische Relevanz haben diese Forschungsergebnisse f\u00fcr die Entwicklung hochleistungsf\u00e4higer Batterien? Mit ihrem neuen Modell k\u00f6nnen die Chemiker zeigen, warum einige relevante Materialien Dendriten bilden und andere nicht. Dar\u00fcber hinaus liefern sie eine Erkl\u00e4rung f\u00fcr die Entstehung der Kristallstrukturen auf atomarer Ebene. \u201eIm Prinzip sagt unser Modell voraus, wie sich die Bildung von Dendriten in aufladbaren Batterien vermeiden l\u00e4sst. Hierf\u00fcr w\u00e4re allerdings ein L\u00f6sungsmittel erforderlich, das widerspr\u00fcchliche Anforderungen erf\u00fcllt. Daher haben unsere Ergebnisse zun\u00e4chst vor allem theoretische Relevanz\u201c, betonen die Autoren. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit wurden Santos und Schmickler von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und CONICET unterst\u00fctzt, dem nationalen Rat f\u00fcr wissenschaftliche und technologische Forschung in Argentinien.<\/p>\n\n\n\n

Batterieforschung an der Universit\u00e4t Ulm<\/h5>\n\n\n\n

Die Universit\u00e4t Ulm und die umgebende Wissenschaftsstadt gelten als international f\u00fchrend in der Batterieforschung. Keimzelle ist die traditionsreiche Elektrochemie der Uni Ulm. Noch heute greifen grundlegende und anwendungsorientierte Forschung ineinander. Gemeinsam mit dem Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT) und weiteren starken Partnern hat die Universit\u00e4t Ulm 2011 das Helmholtz-Institut Ulm <\/a>(HIU) mit dem Schwerpunkt Batterieforschung gegr\u00fcndet. Dar\u00fcber hinaus haben KIT, Universit\u00e4t Ulm und weitere Partner das deutschlandweit einzige Exzellenzcluster im Bereich Batterieforschung, POLiS<\/a>, eingeworben. Hauptziel sind leistungsf\u00e4hige Batterien ohne Lithium und Kobalt. Das Cluster ist wiederum eingebettet in eine der weltweit gr\u00f6\u00dften Plattform zur elektrochemischen Energiespeicherung (CELEST<\/a>).<\/p>\n\n\n\n