Dendriten
Brennende E-Autos und qualmende Smartphones – häufig sind die Auslöser dafür mikroskopisch kleine Kristallstrukturen, die man als Dendriten bezeichnet. Sie treten in Batterien auf, wo sie gefährliche Folgen haben. Wie lassen sich Dendriten in Batterien erkennen und verhindern?
Inhaltsverzeichnis
Was sind Dendriten?
Als Dendriten oder Skelettkristalle bezeichnet man in der Metallographie und Kristallographie eine bestimmte Art von Kristallstrukturen. Ihr Aussehen erinnert, wie schon ihr Name verrät, an einen Baum: Dendrit leitet sich vom altgriechischen Wort für Baum, déndron, ab.
Dendriten treten bei der Kristallisation von Materialien als astähnliche Strukturen auf, zum Beispiel in metallischen Legierungen oder an Lithium-Metall-Anoden in Lithium-Ionen-Batterien. Im letzteren Fall können sich die Dendriten so weit ausbreiten, dass sie die Separatormembran – eine feine Schicht, die die Elektroden voneinander trennt – durchstoßen. Das Ergebnis: Kurzschluss oder Zerstörung der Batterie.
Quality Analysis untersucht
Ihre Batterien auf Dendriten
Bei Quality Analysis bieten wir sowohl zerstörungsfreie als auch zerstörende Untersuchungen des Batterieaufbaus und seiner Strukturen an. Die Technologie der FIB-SEM Mikroskopie und der Rasterelektronenmikroskopie ermöglicht uns dabei, tief unter der Oberfläche liegende Stellen hochauflösend darzustellen – ideal zur Identifizierung von Dendriten.
- Untersuchung innenliegender Defekte und Anomalien mittels industrieller Computertomographie – ohne Öffnung und Zerlegung – und optische Untersuchung der Außenwandung
- makroskopische und stereomikroskopische Begutachtung des kompletten Elektrodenstapels und der Separatorfolie mittels Zellzerlegung der Batterie unter Luftatmosphäre
- Rasterelektronenmikroskopische Begutachtung von auffälligen Stellen an der Anode, der Kathode und der Verbundfolie in der Draufsicht und Begutachtung der Querschliffe
- Querschlifferstellung durch auffällige Stellen an der Elektrode zur Begutachtung der jeweiligen Beschichtung und der Ableiterfolie
- Analyse und Bewertung der Energiespeichermaterialien (Beschichtungen) und der Ableiterfolien
- FIB-SEM Analyse (Tiefenanalyse) an schadhaften Stellen des Separators, der Anode und der Kathode.
Wie entstehen Dendriten in Batterien?
Dendriten entstehen in Batterien und Akkus, in denen Lithiummetalle zum Einsatz kommen. Grund dafür können gestörte Lade- und Entladebedingungen sein.
Während die Batterie aufgeladen wird, wandern Lithium-Ionen von der positiven Seite, der Kathode, zur negativen Seite, der Anode. An der Anode kann es dabei passieren, dass das Lithiummetall nicht gleichmäßig über die Oberfläche verteilt wird und sich an manchen Stellen mehr Lithium sammelt als an anderen. Grund dafür können beispielsweise ionische Kontaminationen sein.
Das führt zum Problem: An den Stellen mit zu viel Lithium bilden sich Dendriten. Das sind, wie gesagt, winzige, nadelförmige Strukturen, die wie kleine Nadeln von der Anode ausgehen. Wenn diese Dendriten zu groß werden, können sie die Schutzschicht zwischen Anode und Kathode durchbrechen, die sogenannte Separatormembran, und es kommt zum Kurzschluss in der Batterie.
Folgen von Dendriten in Batterien
Dendriten können in Batterien schwerwiegende Folgen für die Leistung und Sicherheit dieser Energiespeicher haben, zum Beispiel Kurzschlüsse. Diese können zu Überhitzung und Bränden führen – und im schlimmsten Fall den vollständigen Ausfall der Batterie verursachen.
Zudem können Dendriten zu einer beschleunigten Selbstentladung führen, was die Gesamtleistung des Akkus beeinträchtigt. Um diese Probleme zu vermeiden, sind Forscher intensiv damit beschäftigt, Methoden zu entwickeln, die die Bildung von Dendriten minimieren oder verhindern. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und anderen Technologien, die auf leistungsstarke und sichere Batterien angewiesen sind.
Wie lassen sich Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien vermeiden?
Die Kontrolle und Vermeidung von Dendriten sind für verschiedene technologische Anwendungen von entscheidender Bedeutung, denn nur dadurch lassen sich Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit von elektronischen Systemen gewährleisten. Hauptsächlich ist das von Relevanz für Elektrofahrzeuge und andere Technologien, die auf leistungsstarke Batterien angewiesen sind – um langlebige und sichere Batterien zu entwickeln.
Es gibt verschiedene Ansätze, um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Dendriten an Lithium-Metall-Anoden zu bewältigen. So sind Lithium-Ionen zum Beispiel in Graphit eingelagert, was das Volumen und Gewicht der Akkus erhöhen – aber die Reichweite entsprechend sinken lässt.
Auch das Anbringen von Oberflächenbeschichtungen, die das Dendritenwachstum verhindern sollen, wird praktiziert. Sowie die Kontrolle der Temperatur während des Ladens und Entladens oder eine Strombegrenzung während des Ladens können das Wachstum verhindern.
Kurz zusammengefasst: Dendriten
Dendriten sind mikroskopisch kleine Kristallstrukturen, die in Batterien Kurzschlüsse auslösen und schwerwiegende Folgen haben können. Die FIB-SEM Mikroskopie und die Rasterelektronenmikroskopie dienen der Identifizierung dieser Strukturen, während Forscher intensiv nach Methoden suchen, um ihre Bildung zu minimieren und die Leistung von Batterien zu verbessern.
