Akkuforschung Den Dendriten auf der Spur

Dendriten sind Ablagerungen an den Elektroden eines Akkus, die ihn im schlimmsten Fall kurzschließen können. Ihre Entstehung lässt sich zwar einschränken aber nicht genau vorhersagen oder kontrollieren. US-Forscher wollen das nun ändern und die Entstehung von Dendriten simulieren.

Dendriten sind elektrochemische Ablagerungen von Metall an den Elektroden eines Akkus, also ähnlich dem Prinzip von Tropfsteinen. Bei Lithium-Ionen-Akkus kann sich beispielsweise Lithium an den Elektroden ablagern und dort mit der Zeit zu kleinen Nadeln heranwachsen, die im schlimmsten Fall den Separator durchstoßen, was wiederum einen Kurzschluss nach sich zieht. Die Dendritenbildung ist eine typische Alterungserscheinung von Akkus.

Auch im Zusammenhang mit den Akkubränden zwei Dreamliner-Flugzeugen von Boeing war über Dendriten spekuliert worden. Die genaue Ursache ist bis jetzt aber noch unklar.

Forscher von der amerikanischen ­Purdue-Universität haben sich nun intensiv mit den Dendriten beschäftigt. Dazu haben sie eine Grundlagenarbeit geschrieben, die im Magazin »Journal of the Electrochemical Society« erschienen ist. Damit wollen die Forscher David Ely und Edwin Garcia die Grundlage für Experimente schaffen, mit denen sich die Bildung von Dendriten vorhersagen bzw. kontrollieren lässt.

Dendriten können zufällig und irgendwo an einer Elektrode wachsen. Manche von ihnen bilden beim Wachstum sogar einer Art von Baumringen, bei denen jeder Ring für einen Ladevorgang steht. Hohe Ladespannungen beschleunigen die Dendritenbildung, was etwa ein Hemmnis für schnellere und mit höheren Spannungen durchgeführte Ladevorgänge ist.

Warum entstehen Dendriten?

Die Forscher haben dabei erst einmal analysiert, unter welchen Bedingungen Dendriten entstehen. Dazu haben sie etwa Filme des Forschers Stephen J. Harris von der Berkeley-Universität angeschaut und analysiert, die das Wachstum von Dendriten zeigen.

Dabei haben die Forscher etwa herausgefunden, dass kleinere Dendriten ihr Material an größere verlagern können, so dass diese schneller wachsen.  Außerdem konnten Ely und Garcia beobachten, dass die Dendriten nicht irgendwo sondern an bestimmten Stellen der Anode wachsen. Dafür wollen die Forscher ein Modell entwickeln, mit dem sich die Dendritenbildung besser vorhersagen lässt.

Eine Möglichkeit, die sich aus diesen Erkenntnissen ergibt wäre es zum Beispiel, Dendriten kontrolliert und homogen wachsen zu lassen. Damit wäre vorher klar, ab wann der Akku nicht mehr geladen werden darf. Eine weitere Möglichkeit wäre es, die Anodenoberfläche so zu gestalten, dass sich die Keime für die Dendriten gar nicht erst anlagern können sondern daran abperlen.

Ein Mittel zur Beeinflussung von Dendriten ist der Ladestrom. So haben die Forscher herausgefunden, wie die Höhe des Ladestroms die Dendritenbildung beschleunigt oder umkehrt.

Eine von den Forschern vorgeschlagene Möglichkeit ist es daher etwa, die Akkus nicht mit konstantem Strom sondern mit Stromimpulsen zu laden.