Die Untersuchung des Verhaltens von Elektrolytmaterialien ist für die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung. (Foto: Adobe Stock)

Die nächste Generation von Batterien verspricht mehr Leistung, mehr Sicherheit und schnellere Ladezeiten – und idealerweise eine lange Lebensdauer. Doch ihre Entwicklung wird bislang durch ein zentrales Problem gebremst: Winzige Lithium-Metall-Strukturen, sogenannte Dendriten, können Kurzschlüsse verursachen und die Batterielebensdauer verkürzen. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) zeigen nun, welche Rolle bislang unterschätzte Bereiche im Material spielen: Korngrenzen. Dass diese Grenzflächen zwischen den Körnern innerhalb eines festen Elektrolyten eine Dendritenbildung auslösen können, ist zwar bekannt. Eine Studie aus Stanford hatte kürzlich gezeigt, dass diese Strukturen je nach Belastung entweder an der Oberfläche oder im Inneren des Festkörperelektrolyten entstehen.

Die Arbeit von Forschenden der Technischen Universität München und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) geht einen Schritt weiter: In einer Studie im Fachmagazin Nature Nanotechnology charakterisieren sie das elektrische und chemische Verhalten dieser Korngrenzen, erklären anhand eines theoretischen Modells, warum Dendriten besonders an inneren Grenzflächen wachsen – und zeigen Wege auf, wie sich dieser Prozess kontrollieren lässt. „In den vergangenen 30 Jahren wurde die Batteriewelt von Lithium-Ionen-Batterien dominiert. Gleichzeitig wächst die Erkenntnis, dass es für unterschiedliche Anwendungen weitere Batterietypen, wie solche mit Festelektrolyten, braucht“, erklärt Jennifer L. M. Rupp, Professorin für elektrochemische Materialien an der TUM und korrespondierende Autorin der Studie. „Diese Arbeit liefert ein grundlegendes Verständnis der Raumladungen an Korngrenzen. Darauf aufbauend können wir technische Konzepte ableiten, um den Ionentransport zu verbessern, die Lebensdauer zu erhöhen – und letztlich bessere Batterien zu entwickeln.“ Dass diese Rechnung aufgeht, zeigen die TUM- und MIT-Forschenden am Beispiel des vielversprechenden Festelektrolyten Lithium-Lanthan-Zirkonium Oxiden (LLZO). Sie können ihn so anpassen, dass der Ionentransport verbessert und das Austreten von Elektronen reduziert wird. Das Resultat: Die kritische Stromdichte lässt sich um mehr als 300 Prozent gegenüber einer unmodifizierten Probe steigern. Für Festkörperbatterien bedeutet dies, dass sie schneller geladen werden und länger funktionieren. 

Korngrenzen im Forschungsfokus 

Das Team von Rupp, die im auch e-conversion-Exzellenzcluster aktiv ist und während dieser Arbeiten vom MIT an die TUM wechselte, beschäftigt sich seit Jahren mit dem Verhalten von Elektrolytmaterialien für Batterien der nächsten Generation. Festelektrolyte in Batterien der nächsten Generation bestehen aus vielen kleinen Kristallen, die dicht gepackt sind. „Was wir als Korn bezeichnen – ähnlich wie ein Salzkorn – ist tatsächlich ein einzelner Kristall, der aber nur etwa einen Mikrometer groß sein kann“, erklärt Harry Tuller, Professor am Department of Materials Science and Engineering des MIT. „Bei Hochtemperaturprozessen verdichten sich die besten Materialien so stark, dass sie nahezu frei von Hohlräumen oder Poren, also fast vollständig dicht gepackt sind. Dennoch ist jeder dieser Kristallite durch eine Korngrenze von seinen Nachbarn getrennt.“ Forschende vermuten, dass Korngrenzen aufgrund ihrer besonderen chemischen und elektrischen Eigenschaften die Entstehung von Lithium-Dendriten begünstigen. Sie beeinflussen den Transport von Ionen und Elektronen während des Lade- und Entladevorgangs. Wie genau diese Prozesse ablaufen, war bislang jedoch unklar. Diesen Mechanismus besser zu verstehen, ist das Team aus TUM- und MIT-Forschenden nun wieder einen Schritt nähergekommen.

Forscher der TUM (von links nach rechts): Prof. Johanna Eichhorn (Foto: Julia Baumann / TUM), Prof. David Egger (Foto: Andrea Heddergott / TUM) and Prof. Jennifer L.M. Rupp (Foto: Uli Benz / TUM).

Mit Methodenvielfalt zum Erfolg 

In ihrem gemeinsam entwickelten Modell beschreiben sie, wie lokale elektrische Ungleichgewichte an Korngrenzen die Bewegung von Lithium-Ionen und Elektronen beeinflussen und überprüften es anhand des Festelektrolyten LLZO. Dabei nutzten sie vielfältige Untersuchungsmethoden und Simulationen. „Mit Hilfe von maschinellem Lernen konnten wir Prozesse auf nahezu quantenmechanischer Genauigkeit und gleichzeitig auf größeren Längenskalen modellieren. Wir konnten zeigen, dass Lithium-Fehlstellen die negative Raumladung an Korngrenzen verursachen und dass zirkoniumarme Bereiche diese Fehlstellen binden. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, Festkörperelektrolyte gezielt zu verbessern", erklärt David Egger, Professor für Theorie funktionaler Energiematerialien an der TUM. Zudem lieferten mikroskopische Methoden wertvolle Erkenntnisse. „Mit der Rasterkraftmikrokopie konnten wir die lokalen Änderungen der Materialeigenschaften an den Korngrenzen klar detektieren und ihre Funktion besser verstehen", ergänzt Johanna Eichhorn, Professorin für nanoskalige Mikroskopie und Spektroskopie von Energiematerialien an der TUM. Die Forschenden konnten zeigen, dass die lokalen elektrischen Ungleichgewichte an Korngrenzen entscheidend für die Dendritenbildung sind: Sie erschweren den Ionentransport und begünstigen die Ansammlung von Elektronen. 

Bessere Batteriematerialien 

Die Forschenden gingen dann noch einen Schritt weiter: Basierend auf ihren Ergebnissen passten sie die Herstellung des LLZO-Elektrolyts gezielt an und reduzierten störende Ladungen an den Grenzflächen. Dadurch bewegen sich Lithium-Ionen leichter und es gehen weniger Elektronen verloren. „Wir haben gezeigt, dass wir die Entstehung von Lithium-Dendriten kontrollieren können, um die hohe Leistungsfähigkeit von Festkörperbatterien auszuschöpfen", sagt Erstautor Dr. Hyunwon Chu, das ehemalige MIT-Teammitglied von Rupp forscht jetzt am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). „Ausgehend von einer Theorie zur Dendritenbildung konnten wir den Mechanismus experimentell bestätigen und das Material gezielt verbessern." Das Ergebnis: eine um mehr als 300 Prozent höhere kritische Stromdichte. „Sicheres schnelles Laden ist die Herausforderung in der Batterieindustrie", sagt Rupp. „Unser Ansatz zeigt, wie sich Raumladungen an Korngrenzen gezielt beeinflussen lassen – und eröffnet damit neue Möglichkeiten, Festkörperbatterien schneller, sicherer und langlebiger zu machen." Die Studie liefert damit einen neuen Ansatz für das Materialdesign und Engineering-Konzept von Festelektrolyten: Wer die Prozesse an Korngrenzen kontrolliert, kann den Transport von Ionen und Elektronen gezielt steuern. 

Forschungsförderung 

Die Arbeit wurde von Equinor ASA, der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Exzellenzstrategie und des Exzellenzclusters e-conversion sowie vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, der US-amerikanischen National Science Foundation und dem US-amerikanischen Ministerium für Innere Sicherheit gefördert. Vom TUM-Oerlikon Advanced Manufacturing Institute und dem Gauss Centre for Supercomputing e.V. wurde Rechenzeit über das John-von-Neumann-Institut für Informatik auf dem GCS-Supercomputer JUWELS am Jülich Supercomputing Centre bereitgestellt. 

 

Publikation 

Charged grain boundaries limit short-circuit endurance in garnet solid-state battery electrolytes; Hyunwon Chu, Thomas Defferriere, Proloy Nandi, Waldemar Kaiser, Lukas M. Wolz, Fran Kurnia, Kun Joong Kim, Willis O'Leary, Thomas Altantzis, Johan Verbeeck, David A. Egger, Sara Bals, Johanna Eichhorn, Harry L. Tuller & Jennifer L. M. Rupp. https://doi.org/10.1038/s41565-026-02206-0 

 

Kontakt 

Prof. Dr. Jennifer L. M. Rupp
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Lehrstuhl für Elektrochemische Materialien
Website: https://ecm-tum.de/
E-Mail: jrupp@tum.de 

Link zur Originalveröffentlichung: https://news.mit.edu/2026/discovery-helps-explain-why-solid-state-batteries-often-fail-0706