Im aktuellen Abschnitt erfolgt eine Analyse der Eigenschaften von Batteriesepa-ratoren sowie deren Absicherung durch Prüfverfahren. Ausschlaggebend für die Auslegung von Batterieseparatoren sind zum einen die elektrochemische Funkti-on der LIZ sowie andererseits die Belastung während der Zellkörperherstellung.
Die Eigenschaften von Batterieseparatoren sind in vielen Fällen an den konkreten Anwendungsfall (Zellchemie, Zelltyp) angepasst (ARORA & ZHANG 2004, SANTHANAGOPALAN &ZHANG 2012,S. 8717) Hieraus resultiert eine hohe Vari-antenvielfalt.
Chemische Stabilität
Das Material des Batterieseparators muss chemisch stabil gegenüber der Elektro-lytflüssigkeit sowie den Elektrodenmaterialien sein, insbesondere während der stark oxidierenden und reduzierenden Bedingungen während des vollen Ladezu-stands der LIZ. Der Kontakt zu den Materialien darf nicht zum Zersetzen oder
zum Verlust an mechanischer Festigkeit führen. Um dies abzusichern, werden die Materialien kalendarischen Lebensdauertests unterzogen (ZHANG 2007).
Dicke
Eine geringe Materialdicke ist Voraussetzung für eine hohe Energie- und Leis-tungsdichte von LIZ. Gleichzeitig geht eine geringere Dicke aber auch mit einer geringen mechanischen Festigkeit der Materialien einher. Heute sind je nach Anwendung Dicken zwischen 7 und 40 µm verfügbar. Die Gleichmäßigkeit der Dicke ist zudem wichtig für eine hohe Lebensdauer von LIZ. Die Prüfung der Materialdicke erfolgt nach den Normen ASTM 5947-96 (1996) und ASTM 2103 (2015) unter Verwendung von geeigneten Mikrometerschrauben (S ANTHANAGO-PALAN &ZHANG 2012,S. 8726, SPOTZNITZ 2011,S. 709,ZHANG 2007).
Porosität
Eine angemessene Porosität von Batterieseparatoren, welche typischerweise ca.
40 % beträgt, ist erforderlich, um eine ausreichende Menge Elektrolytflüssigkeit aufnehmen zu können sowie für eine hohe Permeabilität. Kommerziell verfügba-re Materialien haben Porositäten im Beverfügba-reich von 30-50 %. Eine ungleichmäßige Porosität führt zu ungleichen Stromdichteverteilungen in der LIZ und so zu einer beschleunigten Alterung sowie zum Wachstum von metallischem Lithium auf der negativen Elektrode. Die Standardtestmethode ist nach ASTM 2873 (1999) eine Bestimmung der zugänglichen Porosität mittels Quecksilber-Porosimetrie.
Darüber hinaus wird die Gesamtporosität oft auch über die Geometrie, das Ge-wicht und die Materialdichte berechnet (ARORA &ZHANG 2004,SPOTNITZ 2011, S. 710,WEBER &ROTH 2013,S. 80,ZHANG 2007).
Porengröße
Die Porengröße muss kleiner sein als die Partikelgröße der Elektrodenmaterialien inklusive aller Bestandteile der Aktivmaterialien, um den Kontakt durch lose Partikel und zudem ein Dendritenwachstum in der LIZ zu verhindern. In der Praxis haben sich Materialien mit Poren im Submikrometerbereich (0,03-0,1 µm) bewährt, die durch ihre tortuose Struktur die Migration von Partikeln von einer Elektrode zur anderen verhindern können. Aus den genannten Gründen der Stromdichteverteilung muss die Porengröße ebenfalls homogen über die Fläche ausgeprägt sein. Die Bestimmung der Porengröße und ihrer Verteilung kann über ein Porosimetrieverfahren (Quecksilber-Porosimetrie nach ASTM 2873 (1999) oder Capillary Flow Porosimetrie nach ASTM E128-99 (2011)) oder über eine Analyse mittels eines Rasterelektronenmikroskops nach ASTM 1294 (1999)
erfolgen (SANTHANAGOPALAN &ZHANG 2012,S. 8726,SPOTZNITZ 2011,S. 710, WEBER &ROTH 2013,S. 80,ZHANG 2007).
Permeabilität
Eine gleichmäßige Permeabilität ist ebenfalls wichtig für eine homogene Strom-dichteverteilung in der LIZ. Zur Bestimmung der Permeabilität kann der elektri-sche Widerstand des mit Elektrolyt gefüllten Batterieseparators gemessen wer-den. Dies ist sehr schwierig und aufwändig. Für eine gegebene Morphologie ist der elektrische Widerstand jedoch proportional zur Luftdurchlässigkeit der Membranen. Aus diesem Grund wird die Permeabilität typischerweise durch die Luftdurchlässigkeit nach Gurley bestimmt. Diese ist definiert als die Zeit, die eine bestimmte Menge Luft braucht, um unter konstantem Druck durch eine bestimmte Fläche gepresst zu werden. Sie wird in der Einheit s
100 ml ausgedrückt.
Die Testmethode ist in ASTM 726 (2003) beschrieben und kann nach einmali-gem Referenzieren des Gurley-Wertes zum elektrischen Widerstand verwendet werden. Kommerziell verfügbare Materialien haben Gurley-Werte im Bereich von 20-26 s (SANTHANAGOPALAN & ZHANG 2012, S. 8726, WEBER & ROTH
2013,S. 80,ZHANG 2007).
Mechanische Eigenschaften
Limitierend für die Taktrate der LIZ-Herstellung ist nicht der Maschinenbau, sondern die Qualität und die mechanischen Eigenschaften des Batterieseparators (PETTINGER 2013a, S. 227). Batterieseparatoren müssen vor allem im Hinblick auf Wickelprozesse zur Zellkörperherstellung eine hohe Zugfestigkeit in Ma-schinenrichtung aufweisen. Diese wird nach ASTM 638 (2014) bestimmt. Dar-über hinaus darf sich das Material in Maschinenrichtung nicht dehnen, weil hier-aus eine Reduktion der Breite und somit ein Kontakt der Elektroden an den Rän-dern resultieren würde. Deshalb ist auch der E-Modul des Materials eine wichti-ge Größe. Da dieser relativ schwer zu messen ist, wird oft auch die 0,2-%-Dehngrenze angegeben. Bei der Zellkörperherstellung werden darüber hinaus Elektroden und Batterieseparatoren aneinandergedrückt. Die Beschichtung der Elektroden besteht aus Partikeln der Größenordnung 10 µm. Batterieseparatoren müssen deshalb eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Partikeldurchstoß aufwei-sen. Diese Größe kann durch zwei verschiedene Verfahren bestimmt werden. Bei der Ermittlung der Mix Penetration Strength wird ein Batterieseparator zwischen zwei kommerziell gefertigte Elektroden gelegt, mit einem Stempel Druck bis zum elektrischen Kurzschluss appliziert und dabei der elektrische Widerstand gemessen. Alternativ wird die Durchstoßfestigkeit des Batterieseparators
be-stimmt, welche der Kraft entspricht, die benötigt wird, um eine frei schwebende Membran mittels einer definierte Nadel zu durchstoßen (ARORA &ZHANG 2004, SPOTNITZ 2011,S. 709-710,WEBER &ROTH 2013,S. 81-82).
Benetzung
Batterieseparatoren sollen schnell benetzen und den Elektrolyten dauerhaft auf-nehmen. Dies ist zum einen wichtig für die Lebensdauer und die Leistungsfähig-keit der LIZ. Eine mangelnde Benetzung erhöht den Innenwiderstand der Zelle und birgt die Gefahr der Dendritenbildung. Zum anderen ist eine gute Benetzung erforderlich für hohe Produktionsraten bei der Befüllung. Für die Ermittlung der Benetzbarkeit gibt es keinen standardisierten Test. Die einfache Applizierung eines Tropfen Elektrolyts und die Beobachtung der Flüssigkeitsaufnahme ist ein guter Indikator für eine ausreichende Benetzbarkeit (WEBER &ROTH 2013,S. 81, ZHANG 2007).
Thermische Stabilität
Insbesondere bei großformatigen Zellen ist die thermische Stabilität eine kriti-sche Materialgröße. Bei höheren Temperaturen neigen Batterieseparatoren auf-grund der unterschiedlichen Dichten zwischen kristallinen und amorphen Phasen der Polyolefine zu schrumpfen. Bei einem Schrumpftest werden die Abmessun-gen eines Batterieseparators initial bestimmt und anschließend nach Auslagerung bei bestimmten Temperaturen erneut gemessen. Der Schrumpf ergibt sich schließlich aus der Differenz der Messwerte (WEBER & ROTH 2013, S. 80, ZHANG 2007).
Fehlerfreiheit
Zusätzlich zu den genannten Eigenschaften ist es für die Funktion einer LIZ essenziell, dass der Batterieseparator keinerlei lokale Fehlstellen, wie bspw.
Pinholes, Gel-Partikel, Falten oder Kontaminationen, aufweist (ARORA &ZHANG
2004,SANTHANAGOPALAN &ZHANG 2012,S. 8728). Eine systematische Auflis-tung von Fehlern und Fehlertoleranzen bei Batterieseparatoren sowie deren Ursa-chen existiert in der Literatur nicht. Darüber hinaus gibt es kein Standardverfah-ren zur Erkennung von Fehlern in BatterieseparatoStandardverfah-ren. Ferner muss festgehalten werden, dass eine Absicherung der Fehlerfreiheit nicht über eine Laborprüfung einzelner Proben erfolgen kann. Hierzu ist eine vollflächige Prüfung des Materi-als erforderlich. Die essenzielle Voraussetzung bei einer 100-Prozent-Prüfung ist die Zerstörungsfreiheit des Verfahrens. Hierzu werden bspw. durch die ISRA
VISION AG (2012) sowie die DR. SCHENK GMBH (2016) Zeilenkamerasysteme zur Prüfung von Batterieseparatoren eingesetzt.