Batterien sind eine der Schlüsseltechnologien unserer Zeit. Nur mit neuen oder stark verbesserten Ansätzen der Energiespeicherung kann die Abkehr von fossilen Brennstoffen gelingen. So sehen viele Marktforscher die gewichtigsten Gründe darin, dass Verbraucher nicht auf Elektroautos umsteigen, darin, dass die Akkus zu lange zum Laden benötigen und eine zu geringe Reichweite bieten. Ein elektrisches Auto, das in einer Minute geladen ist, dann über 1000 Kilometer Reichweite hat und zudem bei einem Unfall nicht zu einem unlöschbaren Inferno wird, dürfte sich deutlich leichter verkaufen lassen.

Lithium-Ionen-Akkus leisten all dies nicht. Sie sind heutzutage zwar überall zu finden, doch gerade in Elektroautos zeigen sich die Schwächen: Sie sind groß, schwer, teuer, haben lange Ladezeiten und können bei Unfällen zu verheerenden Bränden führen. Eine besonders vielversprechende Alternative sind Lithium-Metall-Akkus: "Sie gelten als der heilige Gral der Batterie-Forschung, wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte", sagt Xin Li von der Universität Harvard. Die Bauweise dieser Akkus bringt jedoch Probleme mit sich. Eines davon will Xin Li mit seinem Team jetzt gelöst haben.

Lithium-Metall-Batterien sind keine neue Erfindung und ihre Vorteile seit Langem bekannt. Doch bei ihrem Laden bilden sich nadelähnliche Dendriten auf der Metallschicht, die als Elektrolyt dient. Wie Wurzeln wachsen sie in das Elektrolyt und zerstören so die Barriere zwischen Anode und Kathode. Das resultiert in einem Kurzschluss und führt in manchen Fällen zum gefährlichen Abbrennen des Akkus. Xin Li und sein Team lösen das Problem, indem sie das Elektrolyt aus mehreren Schichten bauen. Zusätzlich zur Lithium-Metall-Schicht kommt eine zweite Schicht zum Einsatz, die aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel besteht.

Die Dendriten können zwar durch die Lithium-Metall-Schicht wachsen, werden aber dann durch die zweite Schicht gestoppt. Anstatt also umständlich zu versuchen, das Entstehen der Dendriten zu verhindern, wird das Wachstum kontrolliert. Der Einsatz der zweiten Schicht hat einen weiteren Vorteil: Der Akku wird dadurch selbstheilend. Die chemischen Prozesse verschließen Löcher in der Lithium-Metall-Schicht, die durch Dendriten entstanden sind.

Im Labor zeigt sich, dass solche Akkus mindestens 10.000 Ladezyklen überstehen. Bisher entwickelte Lithium-Metall-Akkus sind schon nach 50 bis 100 Ladezyklen durch Dendriten stark beschädigt. Der Akku mit Doppelschicht lud in den Labortests zudem schneller als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus und verlor nach mehreren tausend Ladezyklen nur 20 Prozent der Kapazität.

Laut Xin Li zeige die Entwicklung bereits, dass Lithium-Metall-Festkörperbatterien nicht nur eine ähnliche Haltbarkeit wie Lithium-Ionen-Akkus, sondern sogar eine höhere Haltbarkeit erreichen können. Zudem sei die Mehrschicht-Lösung potenziell tauglich für die Massenproduktion, weshalb Lithium-Metall-Akkus nicht wesentlich teurer wären als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Kommerzielle Lithium-Metall-Akkus mit Doppelschicht könnten auf eine Lebensdauer von zehn bis 15 Jahren kommen. Das bedeutet, dass in Elektroautos mit solch einem Akku nicht mehr nach wenigen Jahren ein Ersatz fällig wird, um wieder mehr Reichweite zu haben. Zudem soll ein Lithium-Metall-Akku in zehn bis 20 Minuten vollständig aufgeladen sein.

Die Forscher betonten weiterhin, dass sich mit optimierter Bauweise und angepassten Materialien die Leistungsdaten der neuen Batterie noch weiter verbessern lassen. Es wird sicher spannend zu beobachten, wie und ob sich die Lithium-Metall-Akkus in Zukunft gegen Solid-State-Batterien behaupten können, die dieses Jahr bei mindestens zwei KFZ-Produzenten in Serie gehen sollen.