Ursache für Kapazitätsverlust in Lithium-Metall-Batterien identifiziert

Neue Studie zeigt: Lokale Austrocknung von Poren und die Bildung resistiver Zwischenschichten bei kritischen Elektrolytmengen beschleunigen den „Zelltod“

06. Oktober 2025 – Forschende am Helmholtz-Institut Münster (HI MS) des Forschungszentrums Jülich und am MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster haben in einem Kooperationsprojekt grundlegende Erkenntnisse über die Ursachen des Kapazitätsverlustes in Lithium-Metall-Batterien gewonnen. Demnach sei der Grund für das frühzeitige Zellversagen auf das Entstehen einer resistiven Zwischenphase zwischen Lithiumelektrode und Elektrolyt zurückzuführen, ausgelöst durch lokale Elektrolyteintrocknung bei geringen Elektrolytmengen in der Zelle: Es hat sich gezeigt, dass nach dem sogenannten „Zelltod“ im restlichen Teil der Zelle noch genügend Elektrolyt vorhanden ist und die Leitfähigkeit noch ausreichend gewährleistet ist.

Lokale Austrocknung mit großer Wirkung

Die Studie deutet darauf hin, dass geringe Mengen Elektrolyt in den Poren der Lithium-Elektrode eintrocknen. Dadurch verkleinert sich die elektrochemisch aktive Oberfläche, was die lokale Stromdichte erhöht. Dieser Effekt begünstigt die ungleichmäßige Ablagerung von moosartigem Lithium (High Surface Area Lithium, HSAL). Die in der Folge entstehende resistive Zwischenschicht aus inaktiver SEI (Solid Electrolyte Interphase) und totem Lithium erhöht den Zellwiderstand drastisch und führt so zum beschleunigten Kapazitätsverlust. Die Zugabe von frischem Elektrolyt führt folglich nicht zu einer Wiederherstellung der Kapazität, der Austausch der Lithiumelektrode jedoch schon.

Neue Perspektive für die Forschung

Während das Eintrocknen des Elektrolyten und die Ausbildung trockener Poren bereits in der Literatur beschrieben waren, liefert die Studie erstmals den Nachweis, dass gerade dieser Mechanismus in Kombination mit HSAL-Bildung und resistiven Interphasen den Zelltod entscheidend bestimmt – und nicht die Elektrolyterschöpfung selbst.

Damit eröffnet sich eine neue Perspektive für die gezielte Entwicklung von Elektrolytlösungen für Lithium-Metall-Batterien. Ziel ist ein optimales Gleichgewicht zwischen ausreichender Lithiumpassivierung und einer stabilen Elektrolytmenge, um damit den Kompromiss zwischen Energiedichte und Lebensdauer künftiger Hochenergiebatterien zu optimieren.

Warum Lithium-Metall-Batterien?

Lithium-Metall-Batterien gelten als vielversprechende Ergänzung zu den heute auf dem Markt dominierenden Lithium-Ionen-Batterien. Dank der deutlich höheren gravimetrischen und volumetrischen Kapazität von Lithium-Metall als Anodenmaterial eröffnen sie Potenzial für leistungsstarke Energiespeicher in kompakter Bauweise. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden Degradationsmechanismen ist daher entscheidend, um maßgeschneiderte und langlebige Elektrolytlösungen zu entwickeln.

Kooperation zwischen Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit war entscheidend, um die komplexen Wechselwirkungen in Lithium-Metall-Zellen aufzuklären. Während die Expertise des MEET Batterieforschungszentrums im Bereich der Materialien eingebracht wurde, lag der Fokus des Helmholtz-Instituts Münster auf den Eigenschaften flüssiger Elektrolyte. Gemeinsam gelang es, die Ursachen des beschleunigten Zelltods zu entschlüsseln. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sind bereits weitere gemeinsame Projekte mit dem Ziel, weitere Fehlermechanismen zu untersuchen und technische Lösungsansätze zu entwickeln, geplant.

Publikation

Die detaillierten Ergebnisse wurden als Open-Access-Artikel im Fachjournal Advanced Energy and Sustainability Research veröffentlicht.

Beteiligte Autor:innen:

• Dominik Weintz, Helmholtz-Institut Münster (HI MS) des Forschungszentrums Jülich

• Dr. Lukas Stolz, MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster und Stanford University

• Dr. Marlena Bela, MEET Batterieforschungszentrum

• Tobias Hinz, Helmholtz-Institut Münster

• Prof. Dr. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum

• Dr. Isidora Cekic-Laskovic, Helmholtz-Institut Münster

• Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum

• Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum