Überblick
Lithiumbatterieseparatoren dienen als Schutzbarriere zwischen den positiven und negativen Elektroden und leiten Ionen, aber keine Elektronen. Idealerweise sollte der Separator nach der Injektion und Formung perfekt und flach an der Elektrode anliegen. Beim Zerlegen der Batterie stellt man jedoch häufig fest, dass der Separator stark zerknittert ist. (Dies ist auch deutlich an Falten an der negativen Elektrode zu erkennen.)
Im Folgenden werden Trennfalten in drei Hauptpunkten besprochen: die Gefahren von Trennfalten, die Ursachen von Trennfalten und Lösungen für Trennfalten.
Gefahren durch Separatorfalten
Erhöhter Innenwiderstand: Die mikroporöse Struktur des Separators im Faltenbereich ist gestört und blockiert den Lithium-Ionen-Übertragungsweg. Dadurch erhöht sich der Innenwiderstand um 15–30 %, was die Lade- und Entladeeffizienz deutlich verringert.
Kapazitätsverlust:Eine ungleichmäßige Elektrolytinfiltration im Faltenbereich verringert die Ausnutzung des aktiven Materials. Experimentelle Daten einer bestimmten Ternärkathodenbatterie zeigten einen Kapazitätsverlust von bis zu 8 % pro 100 Zyklen.
Lithiumbeschichtung führt zu Kurzschlüssen:Faltenbildung erhöht die lokale Stromdichte und die Wahrscheinlichkeit des Wachstums von Lithiumdendriten auf der Graphitanodenoberfläche, wodurch sich das Risiko von Kurzschlüssen erhöht.
Ursachen für Faltenbildung im Zwerchfell
Sachmängel:Falten treten eher auf, wenn die Rauheit der Membranoberfläche mehr als 0,3 μm (Ra-Standardwert 0,1–0,3 μm) oder die Zugfestigkeit weniger als 300 MPa beträgt.
Prozessmängel:Übermäßige Schwankungen der Wickelspannung von mehr als ±3 % können zu ungleichmäßiger Spannung der Elektrodenrolle (Standardanforderung ±1 %), Ofentemperaturgradienten von mehr als 5 Grad (zulässiger Wert kleiner oder gleich 2 Grad) usw. führen.
Unsachgemäßer Heißpressvorgang:Falsche Heißpressdruck-, Temperatur- und Zeiteinstellungen können zu einer schlechten Elektrodenrollenbildung führen.
Unsachgemäßer Injektionsprozess:Der Injektionsprozess umfasst im Allgemeinen (primäre Vakuuminjektion - Ruhen - Vor-Befüllen - sekundäre Vakuuminjektion). Wenn der Vakuumdruck zu hoch oder die Geschwindigkeit zu hoch ist, kann es leicht zur Trennung zwischen Membran und Elektrode kommen. Gleichzeitig wird nach dem Vorladen Gas erzeugt, und durch das Vakuumieren während des Sekundärfüllens werden auch Gas und etwas Elektrolyt herausgezogen. Durch diese Gasabsaugung entstehen Gaswege und auffällige Falten.
Unvollständige Elektrolytimprägnierung:Eine unvollständige Elektrolytimprägnierung führt zu trockenen Bereichen, Lücken und Blasen zwischen der Elektrode und dem Diaphragma, wodurch es beim Vakuumieren zu Faltenbildung kommt. Defekte an der Elektrodenoberfläche: Intrinsische Defekte in der Elektrode (z. B. Unebenheiten und Vertiefungen) können die Haftung des Diaphragmas daran beeinträchtigen und zu Elektrodenfalten führen.
Lösungen gegen Zwerchfellfalten
Die Lösungen haben oft ähnliche Ursachen, darunter die Verbesserung der grundlegenden Eigenschaften der Membran und die Verfeinerung der Wickel-, Heißpress-, Back- und Füllprozesse.
Eine optimale Elektrodenimprägnierung kann durch eine Verlängerung der Imprägnierzeit und eine entsprechende Erhöhung der Imprägnierungstemperatur (z. B. 45 °C) erreicht werden.
Zusätzlich zu den Prozessverbesserungen kann der Einsatz beschichteter Membranen das Problem der Faltenbildung der Membranen wirksam mindern. Beispielsweise verbessern einseitig mit PVDF beschichtete Membranen die Haftung nach dem Heißpressen deutlich, wodurch Falten vollständig vermieden oder reduziert werden.
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