Lithium-Akkus unter der Lupe

Akkus mit Anoden aus metallischem Lithium wären aufgrund ihrer höheren Kapazität herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus eigentlich deutlich überlegen. In der Praxis stehen jedoch Sicherheitsrisiken und kurze Lebensdauer dagegen. Um die Ursachen für Fehlfunktionen und vorzeitiges Versagen besser analysieren zu können, haben Forscher jetzt eine Methode entwickelt, die die Verteilung von aktivem Lithium auf der Anode sichtbar macht und Dendriten sowie „totes“ Lithium unterscheidet. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert die Methode auf einem Fluoreszenzfarbstoff.

Beim Entladen eines Akkus mit Lithium-Anode gibt diese Elektronen in den Stromkreis und positiv geladene Lithium-Ionen an den Elektrolyten ab. Beim Wiederaufladen kehrt sich der Vorgang um und Lithium scheidet sich wieder an der Anode ab – leider nicht gleichmäßig. Es können sich Verästelungen bilden, die Dendriten, die so stark wuchern können, dass ein Kurzschluss auftritt. Außerdem verstärken sie aufgrund der vergrößerten Oberfläche unerwünschte Nebenreaktionen zwischen Lithium und Bestandteilen des Elektrolyten, die das Lithium inaktivieren. Manche Dendriten bestehen am Ende nur noch aus solchem „toten“ Lithium. Obwohl sowohl Dendriten als auch totes Lithium die Leistung des Akkus beeinträchtigen, haben sie doch einen völlig unterschiedlichen Einfluss auf die Anode. Da die Morphologie in beiden Fällen gleich ist, gelingt eine Unterscheidung mit konventionellen mikroskopischen Methoden bisher nicht.

Um die unerwünschten Prozesse an Lithium-Anoden besser zu verstehen, wäre dies jedoch wichtig. Die Forscher um Shougang Chen, Shanmu Dong und Guanglei Cui von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Ocean University of China in Qingdao haben nun eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich die Verteilung aktiver Lithium-Spezies auf der Anodenoberfläche analysieren lässt und Lithium-Dendriten von Nebenprodukt-Spezies unterschieden werden können.

Die Oberfläche gebrauchter Lithium-Anoden wird dazu mit dem Fluoreszenzfarbstoff 9,10-Dimethylanthracen (DMA) beschichtet. DMA reagiert dann mit aktivem Lithium unter Auslöschung seiner Fluoreszenz. Stellen mit aktivem Lithium erscheinen daher dunkel, Stellen mit inaktiven Lithium-Spezies fluoreszieren weiter. Die Morphologie der Anode wird dabei nicht beeinflusst.

Für eine sichere Benutzung von Lithium-Metall-Akkus ist es sehr wichtig, die Ursachen für potenziell gefährliche Fehlfunktionen zu identifizieren. Mit der neuen Methode lassen sich Dendriten nachweisen, die zum Versagen eines Lithium-Akkus geführt haben. Bei der Entwicklung von Akkus unterstützt die Methode zudem die Suche nach besseren Elektrolyten und liefert Vorhersagen über die ungleichmäßige Abscheidung von Lithium. Eine Identifikation der Stellen, an denen sich Lithium-Dendriten bevorzugt bilden, könnte helfen, den Aufbau von Akkus zu optimieren.