Festkörper-Lithium-Metall-Batterien gelten als vielversprechende Kandidaten für die Energiespeicher der nächsten Generation. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben nun ein zentrales Hindernis auf dem Weg zu ihrer Entwicklung genauer beleuchtet: die Instabilität an der Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Festelektrolyt. Diese kann zum Wachstum von Lithium-Dendriten und letztlich zum Ausfall der Batterie führen. Durch die Untersuchung dieser verborgenen Grenzfläche während des Batteriebetriebs gewann das Team neue Erkenntnisse darüber, welche Faktoren die Stabilität beeinflussen.
TUM-Forscherin Yingying Yan hält eine operando-Zelle. (Foto: Dr. Yuxin Liang / TUM)
Mithilfe von operando-Nanofokus-Röntgenstreuung verfolgte ein Team um Prof. Peter Müller-Buschbaum die Entwicklung der sogenannten Solid Electrolyte Interphase (SEI), einer Grenzschicht zwischen Lithium und Elektrolyt, und zeigte, wie die räumliche Verteilung mit der Lithiumabscheidung zusammenhängt. Die nun im Fachjournal ACS Energy Letters veröffentlichten Ergebnisse belegen: Die Homogenität dieser Grenzschicht spielt eine entscheidende Rolle für die Stabilität von Festkörperbatterien.
Beim Laden und Entladen entstehen durch elektrochemische Reaktionen dünne Schichten, die sogenannte Solid Electrolyte Interphase (SEI). An der Grenzfläche übernimmt die SEI eine Schlüsselfunktion: Sie kontrolliert den Transport der Lithium-Ionen und entscheidet mit, ob Lithium gleichmäßig wächst oder sich lokal anreichert. Bislang war es jedoch eine große Herausforderung, die Entwicklung der SEI unter realen Bedingungen zu beobachten. Den TUM-Forschenden, deren Arbeit vom e-conversion Exzellenzcluster gefördert wird, gelang es nun, die Entstehung zu verfolgen und lokale Grenzschichtstrukturen direkt mit der Lithiumabscheidung in Beziehung zu setzen.
Grenzschicht-Bildung während des Betriebs verfolgen
Das Team fand einen klaren Zusammenhang zwischen der SEI-Struktur und der Lithiumabscheidung. „Eine homogene SEI ging mit einem gleichmäßigen Lithiumwachstum einher, während ungleichmäßige und diskontinuierliche Grenzschichten zu lokaler Lithiumanreicherung und Dendritenbildung führten", sagt Yingying Yan, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Peter Müller-Buschbaum. „Die Ergebnisse belegen, dass ein kontrollierter Lithium-Ionen-Transport die Entstehung einer robusten und funktionalen SEI fördert. Diese wiederum unterstützt eine homogene Lithiumabscheidung und hilft, das Dendritenwachstum zu unterdrücken." Aus der Studie lässt sich eine Strategie ableiten, um die Langzeitstabilität von Festkörperbatterien zu verbessern: den Ionentransport gezielt zu regulieren, sodass sich an der Lithium-Elektrolyt-Grenzfläche eine leistungsfähige SEI ausbildet.
Vorgänge auf der Nanoskala sichtbar machen
Um die verborgenen Prozesse sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden am DESY in Hamburg die Methode der operando-Nanofokus-Weitwinkel-Röntgenstreuung (nWAXS). Mit einem hochfokussierten Röntgenstrahl von lediglich 350 × 330 Nanometern, etwa 200-mal dünner als ein menschliches Haar, kartierten sie die Verteilung von metallischem Lithium und kristallinen SEI-Bestandteilen an den Grenzflächen im Inneren der Batterie. „Zum ersten Mal konnten wir nachvollziehen, wie sich wichtige SEI-Komponenten entlang derselben verborgenen Grenzfläche entwickeln – und zwar während des Batteriebetriebs, sprich in operando. Wir konnten direkt beobachten, wie Veränderungen die Lithiumabscheidung beeinflussen", sagt Peter Müller-Buschbaum. Anhand wiederholter Untersuchungen derselben Lithium-Elektrolyt-Grenzfläche während aufeinanderfolgender Lade- und Entladezyklen beobachtete das Team die Entwicklung wichtiger SEI-Komponenten, darunter Lithiumfluorid (LiF) und Lithiumnitrid (Li₃N). Die Veränderungen lassen sich unmittelbar mit dem Verhalten der Lithiumabscheidung korrelieren. Die Studie zeigt, wie operando-Messungen einen bislang unerreichten Einblick in verborgene Grenzflächen von Festkörperbatterien ermöglichen und offenlegen, wie sich Grenzschichtbildung und Lithiumabscheidung während des Betriebs gemeinsam entwickeln. „Diese Erkenntnisse eröffnen neue Wege zu sichereren und langlebigeren Festkörper-Lithium-Batterien", resümiert Peter Müller-Buschbaum.
Publikation:
Yan, L. Liu, Y. Liang, F. A.C. Apfelbeck, L. Cheng, G. Pan, D. Lei, L. Li, T. Zheng, Z. Xu, L. Xia, C. Yuan, L. Zhang, Y. Cheng, A. Davydok, C. Krywka, R. A. Fischer, P. Müller-Buschbaum: Mapping Solid Electrolyte Interphase Evolution and Lithium Deposition at Solid-State Interfaces by Operando Nano-focus WAXS; ACS Energy Letters (2026)
DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01817
Kontakt:
Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum
TUM School of Natural Sciences
Lehrstuhl für Funktionale Materialien
E-Mail: muellerb@ph.tum.de
Webseite: www.ph.nat.tum.de/en/functmat/about-us/