Festkörperbatterien könnten Smartphones und E-Autos revolutionieren. Sie versprechen mehr Reichweite, eine längere Lebensdauer und mehr Sicherheit. Doch winzige Lithium-Nadeln, sogenannte Dendriten, verursachen Kurzschlüsse und verhindern bisher den Durchbruch. Ein Team des Max-Planck-Instituts hat jetzt in einer Nature-Studie erstmals entschlüsselt, warum weiches Lithium härtere Keramik durchbrechen kann.
Bei jeder Ladung eines herkömmlichen Smartphones bewegen sich Milliarden von Lithium-Ionen durch die Batterie, um Energie zu speichern. Künftige Mobiltelefone und Elektrofahrzeuge könnten mit Festkörperbatterien jedoch eine deutlich bessere Leistung erbringen.
Verursachen Kurzschlüsse: Wie Dendriten Festkörperbatterien von innen zerstören
Die Technologie verspricht langlebigere Geräte, eine sicherere Energiespeicherung und bei E-Autos weitaus höhere Reichweiten aus einer einzigen Ladung. Bislang verhindert jedoch ein hartnäckiges Problem den großflächigen Einsatz auf dem Massenmarkt.
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Denn: Mikroskopisch kleine Strukturen, sogenannte Dendriten, können die Batterie von innen heraus zerstören. Während des Ladevorgangs wachsen diese nadelartigen Verästelungen von der Lithium-Anode in den festen Elektrolyt hinein.
Sobald sie die gegenüberliegende Elektrode erreichen, lösen sie einen internen Kurzschluss aus und legen die Batterie lahm. Forscher standen lange vor dem Rätsel, wie das weiche Metall das deutlich härtere Keramikmaterial durchbrechen kann.
Warum weiches Lithium eine harte Keramik brechen kann
Ein Team vom Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien hat diesen Mechanismus nun detailliert entschlüsselt. Für ihre Untersuchung entwickelten die Forscher einen umfassenden experimentellen Ansatz. Die Materialien wurden im Vakuum sowie bei kryogenen Temperaturen analysiert, um präzise Ergebnisse zu erzielen.
Diese speziellen Bedingungen verhinderten eine Verunreinigung durch Sauerstoff oder Feuchtigkeit während der Elektronenmikroskopie.
Die Wissenschaftler untersuchten die in den keramischen Elektrolyten eingeschlossenen Lithium-Dendriten und entdeckten keine Ansammlungen von Lithium vor der fortschreitenden Verästelung. Die Ergebnisse deuten auf einen Druckaufbau im Inneren der Dendriten selbst hin. Yuwei Zhang, Leiter der Forschergruppe, in einem Statement:
Obwohl die Elektroden und die sich bildenden Dendriten aus Lithiummetall bestehen, das weich wie Gummibärchen ist, sind die Dendriten in der Lage, den harten, keramischen Elektrolyten zu durchdringen. Es gibt zwei Hypothesen, die versuchen dieses Phänomen zu erklären: Entweder es baut sich eine innere Spannung in den Dendriten auf, die Risse im festen Elektrolyten verursacht. Oder Elektronen bewegen sich entlang der Korngrenzen im Elektrolyten und fördern dort die Bildung von Lithiumkeimen, die sich später miteinander verbinden.
Eine berechnete hydrostatische Spannung in den Dendriten führe am Ende zu einem Bruch des Festelektrolyten.
Drei Ansätze gegen den Ausfall von Festkörperbatterien
Durch das neue Verständnis dieser Schäden kann die Wissenschaft künftig gezielte Gegenmaßnahmen erforschen. Zu den potenziellen Lösungen gehört eine Erhöhung der Rissbeständigkeit der festen Elektrolyte in den Zellen. Alternativ könnten mikroskopisch kleine Hohlräume in das Material eingefügt werden, die das Wachstum der Dendriten umleiten und so die Rissausbreitung verringern.
Zudem könnten schützende Beschichtungen auf den Elektroden die Entstehung dieser Defekte von vornherein einschränken. Die Forscher sagen, ihre Arbeit unterstreiche die Bedeutung des Verständnisses, wie sich Materialien auf einer fundamentalen Ebene verhalten, wenn Technologien für den realen Einsatz entwickelt werden.
Die detaillierten Ergebnisse der Untersuchungen wurden am 22. April 2026 in der Fachzeitschrift Nature publiziert. An der Studie waren zahlreiche Fachleute beteiligt, die gemeinschaftlich diese neuen Erkenntnisse zusammentrugen.
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