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Ein Separator ist ein unverzichtbares Bauteil jeder Zelle und Batterie. Er hat die Aufgabe, Kathode und Anode in einer Zelle räumlich zu trennen und elektrisch voneinander zu isolieren, um den Kurzschluss zu vermeiden. Damit die chemischen Reaktionen, die für die Energiespeicherung in einer Zelle verantwortlich sind, ablaufen können, muss er allerdings durchlässig für Ionen sein! – also für elektrisch geladenen Atome oder Moleküle in der Batteriezelle. Der Separator muss für die Ionen und flüssige Elektrolyte sehr durchlässig sein, welche die für einen Ladungsausgleich während in der Batteriezelle während des Betriebes der Batterie sorgen.
Separatoren sind entscheidende Komponenten in Flüssigelektrolyt-Batterien. Ein Separator besteht im Allgemeinen aus einer polymeren Membran, die eine mikroporöse Schicht bildet. Sie muss gegenüber dem Elektrolyten und den Elektrodenmaterialien chemisch und elektrochemisch stabil und mechanisch stark genug sein, um den hohen Spannungen beim Bau der Batterie standzuhalten. Sie sind wichtig für Batterien, da ihre Struktur und ihre Eigenschaften die Batterieleistung, einschliesslich der Energiedichte und Leistungsdichte, der Lebensdauer und der Sicherheit der Batterie, erheblich beeinflussen.
Neben diesen fundamentalen Eigenschaften, die ein Separator haben muss, kann er weitere Funktionen erfüllen. Viele Separatoren saugen unter anderem den Elektrolyten auf, was den Vorteil hat, dass eine Batterie kompakter gebaut werden kann und der Elektrolyt bei einer Beschädigung der Batterie nicht austritt. In Lithium-Ionen-Batterien werden teilweise sogenannte Shutdown-Separatoren eingesetzt (z.B. Celguard), die nicht nur als Separator, sondern auch als Sicherheitssperre wirken. Steigt die Zelltemperatur zu stark an, schliessen diese Separatoren die Poren und unterbrechen den Stromfluss, bevor es zum thermischen Durchgehen (und schliesslich Kurzschluss) kommt.
Der Batterie-Separator unterscheidet sich von Batterie-Membranen dadurch, dass er i) meistens nicht Ionenselektiv ist, ii) kostengünstig und iii) chemisch und elektrochemisch innert ist. Zudem sind Separatoren wegen ihrer chemisch-strukturellen Einfachheit meist günstiger als Membranen.
Welche Materialien für eine Batterie in Frage kommen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Sie müssen vor allem resistent gegen die Chemikalien (Elektrolyte und Lösemittel) sein, die in einer Zelle verwendet werden, aber auch sehr preisgünstig (wenige Euros/m2), mechanisch belastbar und langlebig.
Zu den Materialien gehören Vliesstoffe (Baumwolle, Nylon, Polyester, Glas), Polymerfolien (Polyethylen PE, Polypropylen PP, Poly-(tetrafluorethylen) PTFE, Polyvinylchlorid PVC), Keramik und natürlich vorkommende Stoffe (Gummi, Asbest, Holz). Einige Separatoren verwenden polymere Materialien mit Poren von weniger als 20 Å, die im Allgemeinen für Batterien zu klein sind. Für die Herstellung werden sowohl Trocken- als auch Nassverfahren verwendet.
Lithium-Ionen-Batterien und primäre Lithiumbatterien, die mit flüssigen Elektrolyte arbeiten (organisches Elektrolyte), verwenden als Materialien mikroporöse Kunststoffe sowie Vliese (englisch nonwovens) aus Glasfaser oder Polyethylen (PE) und Polypropylen-Folien (PP) verwendet.
Separatoren für Superkondensatoren (Supercaps) sind ähnlich wie in Batterien. Kommerzielle Ultrakondensatoren (Ultracaps) basieren auf organischen Systemen. Da keine chemischen Prozesse in der Energiespeicherung in Supercaps stattfinden, können meist Zellulosefilter-Papier (Papierfilter) als Separator in Supercaps verwendet werden.
Zellulose-Filter sind ideal, da sehr hohe Ionenströme durch die grobmaschigen Papierfilter migrieren können.
Bei wässrigen Elektrolyten werden z.B. in Alkali-Mangan-Batterien werden vorwiegend Vliesstoffe als Separatoren eingesetzt. Diese bestehen meist aus einer Mischung von Polyvinylalkohol-Mikrofasern (PVA) und Zellulose. Machmal kann auch Zellulose (Papierfilter) als Separator verwendet werden, was besonders kostengünstig ist.
Separatoren können für spezielle Funktionen in der Batteriezelle (Ionenselektivität, Permeabilität, Selbstentladung, und Dendritenwachstum) chemisch, and der Oberfläche modifiziert werden, wodurch Membran-ähnliche Eigenschaften eingebaut werden können. Dazu gibt es eine Vielzahl von verschieden nanotechnologischen, chemischen und physikalischen Modifiakationstechniken. Swiss Battery ist spezialisiert für Oberflächenmodifikationen von porösen Materialien, Polymer-Oberflächen und keramischen Oberflächen.
Im Gegensatz zu vielen anderen Technologien wurden Polymerseparatoren nicht speziell für Batterien entwickelt. Sie waren viel mehr Ableger bestehender Technologien, weshalb die meisten nicht für die Systeme optimiert sind, in denen sie eingesetzt werden. Auch wenn dies ungünstig erscheinen mag, können die meisten Polymer-Separatoren kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden, da sie auf bestehenden Technologien basieren. Yoshino und Mitarbeiter von Asahi Kasei entwickelten sie erstmals 1983 für einen Prototyp von sekundären Lithium-Ionen-Batterien (LIB).
Schematische Darstellung einer Lithium-Ionen-Batterie mit dem Batterieseparator: Ursprünglich wurde Lithium-Kobalt-Oxid als Kathode und Polyacetylen als Anode verwendet. Später, im Jahr 1985, wurde festgestellt, dass die Verwendung von Lithiumkobaltoxid (LCO) als Kathode und Graphit als Anode eine hervorragende Sekundärbatterie mit erhöhter Stabilität ergab, wobei die Grenzflächenelektronentheorie von Kenichi Fukui zum Einsatz kam. Dies ermöglichte die Entwicklung von tragbaren Geräten wie Handys und Laptops. Bevor jedoch Lithium-Ionen-Batterien in Massenproduktion hergestellt werden konnten, mussten Sicherheitsbedenken wie Überhitzung und Überspannung ausgeräumt werden.
Ein Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit war der Separator zwischen der Kathode und der Anode. Yoshino entwickelte einen mikroporösen Polyethylenmembran-Separator mit einer «Sicherungs»-Funktion (vergl. Shutdown-Separatoren): Im Falle einer anormalen Wärmeentwicklung innerhalb der Batteriezelle bietet der Separator einen Abschaltmechanismus. Die Mikroporen schliessen sich durch Schmelzen und der Ionenfluss wird unterbrochen. Im Jahr 2004 wurde von Denton und anderen Autoren erstmals ein neuartiger elektroaktiver Polymerseparator mit der Funktion des Überladungsschutzes vorgeschlagen, der reversibel zwischen isolierendem und leitendem Zustand wechselt. Änderungen des Ladungspotenzials bewirken diesen Wechsel.
In jüngerer Zeit dienen Separatoren in erster Linie dem Ladungstransport und der Elektrodentrennung.
Polymerabscheider werden im Allgemeinen aus mikroporösen Polymermembranen hergestellt. Solche Membranen werden in der Regel aus einer Vielzahl von anorganischen, organischen und natürlich vorkommenden Materialien hergestellt. Die Porengrösse ist in der Regel grösser als 50-100 Å.
Trocken- und Nassverfahren sind die gängigsten Methoden zur Herstellung von Polymermembranen. Die Extrusions- und Streckvorgänge dieser Verfahren bewirken Porosität und können als Mittel zur mechanischen Verstärkung dienen.
Mit Trockenverfahren hergestellte Membranen eignen sich aufgrund ihrer offenen und gleichmässigen Porenstruktur besser für eine höhere Leistungsdichte, während mit Nassverfahren hergestellte Membranen aufgrund ihrer gewundenen und miteinander verbundenen Porenstruktur mehr Lade-/Entladezyklen ermöglichen. Dies trägt dazu bei, die Umwandlung von Ladungsträgern in Kristalle an den Anoden bei schneller oder niedriger Temperaturaufladung zu unterdrücken.
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