Irreversible Ablagerungen:

Bei Li-Ionen-Batterien ist der Lade- und Entladevorgang der Batterie nicht vollständig reversibel. Stattdessen gibt es kleine Nebenreaktionen, die dazu führen, dass aktives Lithium dauerhaft gebunden wird und sich auf der Oberfläche der Anode ablagert und die SEI-Schicht (SEI = Solid Electrolyte Interface) vergrößert. Die SEI-Schicht ist eigentlich eine Schutzschicht, die beim ersten Laden aufgebaut wird und die Anode vor Zersetzung schützt. Durch die Abbauprodukte der Nebenreaktionen wird diese Schicht aber immer größer, was einerseits den Zellwiderstand ansteigen lässt, aber auch die Kapazität reduziert(vgl. Korthauer [1]). Für Solid-State-Batterien gibt es noch keine umfangreichen Untersuchungen, ob es zu Abbaureaktionen kommen wird.

Volumenänderungen:

Volumenänderungen stellen sowohl für Solid-State-Batterien als auch für klassische Zellen eine Herausforderung dar. Das Wandern der Lithium-Ionen beim Laden führt dazu, dass das Volumen der Kathode sich verkleinert, das Volumen der Kathode sich dafür vergrößert. Die Volumenänderung bei Li-Ionen-Batterien der Kathode ist mit 1 % gering (vgl. Käbitz [2]), das Anodenwachstum ist mit 10 % deutlich größer (vgl. Jossen [3]).

Solid-State-Elektrolyten ermöglichen den Einsatz von Li-Metall-Anoden. Diese leiden aber im deutlich stärkeren Umfang an Volumenänderungen, als dies bei Flüssigelektrolyten der Fall ist. Dies liegt insbesondere an der Tendenz, dass sich verstärkt Leerräume bilden und sich inaktives „totes“ Lithium ablagert. Für Lithium-Metallanoden wird dabei angegeben, dass sich das Volumen mehr als vervierfacht.(vgl. Oh, Yun, et. Al [4]). Daher gibt es Ansätze, für die Anode eine Art 3D-Gerüst zu verwenden, in welches das Lithium dann interkalieren kann, was Volumenänderungen begrenzt. (vgl. Ye, Zhang, et. al. [5]). Es bleibt abzuwarten, welche Zyklenzahl mit diesem Ansatz zu erreichen ist.

Instabile Schnittstelle Kathode/Elektrolyt:

Ein heutiges Problem von Solid-State-Batterien ist die Schnittstellenstabilität zwischen Kathode und dem Festkörperelektrolyt. Kathode und Elektrolyt sind beide in einem festen Aggregatszustand, was eine gute mechanische Verbindung zwischen den Beiden erschwert. Cheng, Kushida et. al [6] konnten in einer Untersuchung von einer beschichteten LLZO-Festkörperelektrolyt/LCO-Kathode-Kombination zeigen, dass Rissbildungen Ursache der schlechten Zyklenstabilität sind. Shi, Zhag et. Al. [7] konnten nachweisen, dass durch Anlegen eines externen Drucks auf Anode und Kathode teilweise verhindert werden kann, dass die Kontaktierung verloren geht.  

Für konventionelle Zellen sorgt das flüssige Elektrolyt dafür, dass immer eine gute mechanische und elektrische Verbindung besteht. Schnittstellenprobleme gibt es bei konventionellen Zellen somit in der Regel nicht.

Instabile Schnittstelle (Li-)Anode/Elektrolyt:

Analog zur Schnittstelle Kathode/Elektrolyt stellt auch die Schnittstelle Li-Anode/Elektrolyt einen deutlichen Faktor für das Altern der Zellen dar. Auch hier beschränkt sich das Problem wegen der fest-fest Verbindung auf Solid-State-Batterien. Das Lithium verträgt sich nicht gut mit dem Elektrolyten und es ist Gegenstand der Forschung, die Kompatibilität der Materialien zu erhöhen. Die Ursache ist insbesondere auch in der mechanischen Belastung durch Volumenänderung während Laden und Entladen. Ansätze die Schnittstellenqualität zu verbessern sind z.B. die Nutzung von Lithium-Legierungen anstelle von reinem Lithium, das Einfügen von Zwischenschichten oder die Verwendung von lithiertem Grafit [8].

Dendriten-Wachstum:

Dendriten-Wachstum ist ein Alterungseffekt, der sowohl bei Li-Ionen-Batterien als auch bei Feststoffbatterien auftritt. Dendriten sind speerartige Ablagerungen, die sich auf der Anodenoberseite beim Laden der Zelle ausbilden und bei denen die Gefahr besteht, dass sie irgendwann so groß sind, dass sie den Separator (bei Li-Ionen-Batterien) bzw. das Festkörperelektrolyt (bei Solid-State-Batterien) durchsticht und so einen Kurzschluss auslösen. Bei Li-Ionen-Batterien ist bekannt, dass niedere Temperaturen und hohe Ladeströme das Entstehen der Dendriten begünstigen(vgl. Korthauer [1]). 

Solid-State-Batterien sind besonders anfällig für Dendritenbildung, weil die Schnittstelle Li-Metall/Elektrolyt unebenen ist und zu einer inhomogenen Verteilung von Lithiumionen führt. Dies erhöht einerseits den Widerstand, andererseits verstärkt es Tendenzen, dass Dendriten bevorzugt wachsen oder Teile des Lithiums abbrechen und inaktiv werden. Unterschiede im Volumen beim Zyklieren werden dadurch verstärkt und lassen die Zellen schneller altern (vgl. Ye, Zhang, et. al. [9]). In einer Arbeit von Ye und Li an der Uni Cambridge [10] wird geschlussfolgert, dass sich die Dendritenbildung mit bisherigem Aufbau nicht vermeiden lässt. Mit Hilfe einer extra Elektrolytschicht haben die Forschenden es geschafft, 10.000 Zyklen mit einer Restkapazität von über 80 % zu durchlaufen. Die erreichte Zyklenzahl ist aber im Literaturvergleich eine große Ausnahme und es bleibt abzuwarten, ob sich die Studienergebnisse in anderen Arbeiten wiederholen lassen.

Kalendarische Alterung:

Kalendarische Alterung beschreibt die Alterung, wenn eine Batterie im Ruhezustand ist und nicht zykliert wird. Diese schreitet über den Lebenszyklus kontinuierlich voran und sorgt dafür, dass Batterien auch bei Nicht-benutzung über die Dauer degradieren. Ursache sind parasitäre Nebenreaktionen die im kleinen Umfang auch im Ruhezustand ablaufen. (vgl. Korthauer, S.26 [1]).

Für Solid-State-Batterien gibt es die Erwartung, dass aufgrund der festen Elektrolyten die parasitären Reaktionen in einem deutlich verringerten Umfang stattfinden und die kalendarische Alterung somit keinen dominanten Alterungseffekt darstellt. (vgl. Fraunhofer Institute[11]).