DE10255123A1 - Low water separator for an electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Separators mit niedrigem Wassergehalt für eine elektrochemische Zelle, das folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellung eines Gemisches, das (a-1) eine Lithiumverbindung mit einem sich bei Erwärmung leicht verflüchtigenden Rest, (a-2) ein Löse- und/oder Dispergiermittel und (a-3) gegebenenfalls weitere Gemischkomponenten umfasst; (b) Herstellung eines Separatorvorprodukts mit dem Gemisch, wobei auf der Oberfläche des Separatorvorprodukts zumindest teilweise die Lithiumverbindung exponiert vorliegt; (c) Erhitzen des Separatorvorprodukts auf eine Temperatur von 50 bis 350 DEG C für eine vorbestimmte Zeit, um den Rest der Lithiumverbindung, gegebenenfalls pyrolytisch, zumindest teilweise von der Oberfläche des Separatorvorprodukts zu entfernen und den Separator mit niedrigem Wassergehalt zu schaffen.A method of making a low water separator for an electrochemical cell, comprising the steps of: (a) providing a mixture comprising (a-1) a lithium compound with a residue that volatilizes on heating, (a-2) a solvent, and / or dispersant and (a-3) optionally further mixture components; (b) production of a separator intermediate with the mixture, the lithium compound being at least partially exposed on the surface of the separator intermediate; (c) heating the separator intermediate to a temperature of 50 to 350 ° C. for a predetermined time in order to at least partially remove the rest of the lithium compound, optionally pyrolytically, from the surface of the separator intermediate and to create the separator with a low water content.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators mit niedrigem Wassergehalt für eine elektrochemische Zelle, einen Separator, der nach diesem Verfahren herstellbar ist, sowie eine elektrochemische Zelle, die einen solchen Separator mit niedrigem Wassergehalt umfasst.The present invention relates to a method of manufacturing a separator with a low water content for one electrochemical cell, a separator made by this method is producible, as well as an electrochemical cell, such Low water separator included.
Unter elektrochemischer Zelle oder Batterie sind in dieser Beschreibung Batterien und Akkumulatoren (Sekundärbatterien) jeder Art zu verstehen, insbesondere Alkali-, wie z.B. Lithium-, Lithiumionen-, Lithium-Polymer-, und Erdalkali-Batterien und -Akkumulatoren und zwar auch in Form von Hochenergie- oder Hochleistungssystemen.Under electrochemical cell or In this description, batteries are batteries and accumulators (secondary batteries) any kind of understanding, especially alkali, e.g. Lithium-, Lithium ion, lithium polymer, and alkaline earth batteries and accumulators in the form of high-energy or high-performance systems.
Elektrochemische Zellen umfassen gegenpolige Elektroden, die durch einen Separator unter Aufrechterhaltung von Ionenleitfähigkeit, voneinander separiert sind.Include electrochemical cells antipolar electrodes maintained by a separator of ion conductivity, are separated from each other.
Herkömmlicherweise ist ein Separator ein dünner, poröser, elektrisch isolierender Stoff mit hoher Ionendurchlässigkeit, guter mechanischer Festigkeit und Langzeitstabilität gegen die im System, z. B. im Elektrolyten der elektrochemischen Zelle, verwendeten Chemikalien und Lösemittel. Er soll in elektrochemischen Zellen die Kathode von der Anode elektronisch völlig isolieren. Außerdem muss er dauerelastisch sein und den Bewegungen im System, z. B. im Elektrodenpaket beim Laden und Entladen, folgen.Traditionally, a separator a thin, porous, electrically insulating material with high ion permeability, good mechanical strength and long-term stability against those in the system, e.g. B. in the electrolyte of the electrochemical cell, chemicals and solvents used. In electrochemical cells, it is supposed to electronically separate the cathode from the anode completely isolate. Moreover it must be permanently elastic and the movements in the system, e.g. B. in the electrode pack when loading and unloading.
Der Separator bestimmt maßgeblich die Lebensdauer der Anordnung, in der er verwendet wird, z. B. die einer elektrochemischen Zelle. Die Entwicklung wiederaufladbarer elektrochemischer Zellen oder Batterien wird daher durch die Entwicklung geeigneter Separatormaterialien beeinflusst. Allgemeine Informationen über elektrische Separatoren und Batterien können z. B. bei J.O. Besenhard in „Handbook of Battery Materials" (VCH-Verlag, Weinheim 1999) nachgelesen werden.The separator is decisive the life of the arrangement in which it is used, e.g. B. the an electrochemical cell. The development of rechargeable electrochemical cells or batteries will therefore be developed suitable separator materials. General information about electrical Separators and batteries can z. B. at J.O. Besenhard in “Handbook of Battery Materials "(VCH publishing house, Weinheim 1999) can be read.
Hochenergiebatterien werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, bei denen es darauf ankommt eine möglichst große Menge an elektrischer Energie verfügbar zu haben. Dies ist beispielsweise bei Traktionsbatterien aber auch bei der Not-Strom-Versorgung mit Batterien (Auxillary Power Systems) der Fall. Die Energiedichte wird dabei häufig in gewichts- [Wh/kg] oder in volumenbezogenen [Wh/L] Größen angegeben. Augenblicklich werden in Hochenergiebatterien Energiedichten von 350 bis 400 Wh/L und von 150 bis 200 Wh/kg erreicht. Die abgefragte Leistung bei solchen Batterien ist nicht so groß, so dass man Kompromisse hinsichtlich des Innenwiderstandes machen kann. Das heißt, dass die Leitfähigkeit des Elektrolyt gefüllten Separators beispielsweise nicht so groß sein muss wie bei Hochleistungsbatterien, so dass dadurch auch andere Separatorkonzepte möglich werden.High energy batteries are used in different Applications where it matters where possible size Amount of electrical energy available. For example, this is with traction batteries but also with the emergency power supply Batteries (Auxillary Power Systems) the case. The energy density is common specified in weight [Wh / kg] or volume-related [Wh / L] sizes. Energy densities of 350 to 400 Wh / L and from 150 to 200 Wh / kg reached. The queried Power on such batteries is not that great, so you have to compromise of internal resistance. That is, the conductivity of the electrolyte filled Separators, for example, do not have to be as big as high-performance batteries, so that other separator concepts are also possible.
So können bei Hochenergiesystemen auch Polymerelektrolyte eingesetzt werden, die mit 0,1 bis 2 mS/cm eine doch recht geringe Leitfähigkeit besitzen. Solche Polymerelektrolytzellen können nicht als Hochleistungsbatterien eingesetzt werden.So with high energy systems polymer electrolytes are also used, with 0.1 to 2 mS / cm quite a low conductivity have. Such polymer electrolyte cells cannot be used as high-performance batteries be used.
Separatormaterialien für die Anwendung
in Hochleistungsbatteriesystemen müssen folgende Eigenschaften
besitzen:
Sie müssen
möglichst
dünn sein,
um einen geringen spezifischer Platzbedarf zu gewährleisten
und um den Innenwiderstand klein zu halten. Um diese geringen Innenwiderstände zu gewährleisten
ist es wichtig, dass der Separator auch eine große Porosität aufweist. Ferner müssen sie
leicht sein, damit ein geringes spezifisches Gewicht erreicht wird.
Außerdem
muss die Benetzbarkeit hoch sein, da sonst nicht benetzte Totzonen entstehen.Separator materials for use in high-performance battery systems must have the following properties:
They have to be as thin as possible to ensure a small specific space requirement and to keep the internal resistance low. To ensure these low internal resistances, it is important that the separator also has a large porosity. They must also be light in order to achieve a low specific weight. In addition, the wettability must be high, otherwise dead zones that are not wetted will arise.
In vielen, vor allem mobilen Anwendungen werden sehr große Energiemengen benötigt (z. B. in Traktionsbatterien). Die Batterien in diesen Anwendungen speichern im vollgeladenen Zustand also große Energiemengen. Hierfür muss der Separator sicher sein, da in diesen Batterien sehr große spezifische elektrische Energiemengen transportiert werden. Diese Energien dürfen bei einer Fehlfunktion der Batterie bzw. bei einem Unfall nicht unkontrolliert freigesetzt werden, da dies unweigerlich zur Explosion der Zelle unter Feuererscheinung führen würde.In many, especially mobile applications become very big Amounts of energy needed (e.g. in traction batteries). Save the batteries in these applications Large amounts of energy when fully charged. For this, the Separator be safe because very large specific in these batteries electrical energy quantities are transported. These energies are allowed to malfunction of the battery or in an accident not uncontrolled to be released as this inevitably causes the cell to explode under fire would.
Derzeitig eingesetzte Separatoren bestehen überwiegend aus porösen organischen Polymerfilmen bzw. aus anorganischen Vliesstoffen, wie z. B. Vliesen aus Glas- oder Keramik-Materialien oder auch Keramikpapieren. Diese werden von verschiedenen Firmen hergestellt. Wichtige Produzenten sind hier: Celgard, Tonen, Ube, Asahi, Binzer, Mitsubishi, Daramic und andere.Separators currently in use exist predominantly from porous organic polymer films or from inorganic nonwovens, such as z. B. nonwovens made of glass or ceramic materials or ceramic papers. These are made by different companies. Major producers are here: Celgard, Tonen, Ube, Asahi, Binzer, Mitsubishi, Daramic and other.
Die Separatoren aus anorganischen Vliesstoffen oder aus Keramikpapier sind mechanisch unbeständig und brechen leicht. Dies führt zu Kurzschlüssen. Denn die Elektroden können durch gebrochene Stellen leicht in Kontakt kommen.The separators from inorganic Nonwovens or ceramic paper are mechanically unstable and break easily. this leads to to short circuits. Because the electrodes can easily come into contact through broken areas.
Ein typischer organischer Separator besteht z. B. aus Polypropylen oder aus einem Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Verbund. Ein großer Nachteil dieser organischen Polyolefinseparatoren ist deren relativ geringe thermische Belastbarkeit von unter 150 °C. Schon ein kurz anhaltendes Erreichen des Schmelzpunkts dieser Polymere führt zu einem weitgehendem Schmelzen des Separators und zu einem Kurzschluss in der elektrochemischen Zelle, die einen solchen Separator einsetzt. Der Einsatz solcher Separatoren ist daher generell nicht sehr sicher. Denn beim Erreichen von höheren Temperaturen, insbesondere von mindestens 150°C oder gar mindestens 180°C werden diese Separatoren zerstört.A typical organic separator is e.g. B. made of polypropylene or a polypropylene / polyethylene / polypropylene composite. A major disadvantage of these organic polyolefin separators is their relatively low thermal load capacity of below 150 ° C. A short-lasting reaching of the melting point of these polymers leads to a large melting of the separator and to a short circuit in the electrochemical cell that uses such a separator. The use of such separators is therefore generally not very safe. Because when higher temperatures are reached, especially at least 150 ° C or even at least 180 ° C, these separators are destroyed.
Neben dieser Instabilität bei hohen Temperaturen, weisen die Separatoren auf Polymerbasis weitere schwerwiegende Nachteile hinsichtlich der chemischen Beständigkeit auf. Die Polymere in den elektrochemischen Zellen werden nämlich durch den Kontakt mit den Elektroden auch bei normalen Betriebs- und Lagerungstemperaturen wie Raumtemperatur langsam aber stetig angegriffen. Insbesondere kommt es beim Einsatz solcher Separatoren in elektrochemischen Zellen, die Lithium verwenden, zu Problemen. An der Kontaktfläche des Separators mit dem Lithium bzw. mit dem lithiierten Graphit wird das Polymer langsam angegriffen. Ferner werden die Polymer-Separatoren auch durch die während des Betriebs einer elektrischen Zelle entstehenden Stoffe auch im Inneren des Separators angegriffen. Dadurch können diese Separatoren die Elektroden nicht mehr gesichert vor einem Kurzschluss schützen. Die Standzeit wird dadurch herabgesetzt. Außerdem nimmt die Kapazität einer elektrochemischen Zelle, die solche Separatoren einsetzt, mit der Zeit ab.In addition to this instability at high Temperatures, the polymer-based separators have other serious Disadvantages with regard to chemical resistance. The polymers namely in the electrochemical cells through contact with the electrodes even at normal operating and storage temperatures like room temperature slowly but steadily attacked. In particular happens when such separators are used in electrochemical cells, using lithium, problems. At the contact surface of the Separator with the lithium or with the lithiated graphite the polymer slowly attacked. Furthermore, the polymer separators also by the while of the operation of an electrical cell Attacked inside the separator. This allows these separators Protect electrodes from a short circuit no longer secured. The Tool life is reduced. In addition, the capacity takes one electrochemical cell using such separators with the Time off.
Um diese Nachteile zu überwinden,
gab es erste Versuche anorganische Verbundmaterialien als Separatoren
einzusetzen. So wird in
In vorangehenden Arbeiten (
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Bei all diesen Separatoren mit anorganischer Verbundstruktur wurde jedoch festgestellt, dass sie Wasser enthalten, insbesondere wenn sie bei hoher Luftfeuchtigkeit gelagert werden. Das Wasser in einem solchen Separator liegt in zwei Formen vor: Zum einen in den sehr kleinen Poren des Separators, wo es aufgrund der Porenkondensation flüssig vorliegt; zum anderen in Form von teilweise hydrolysiertem keramischen Material, wie z.B. Siliziumdioxid, das auf der Oberfläche der Poren der anorganischen Verbundstruktur vorliegt. Wenn ein solcher feuchter Separator zur Herstellung von elektrochemischen Zellen verwendet wird, lässt sich in einem Trocknungsschritt bei der Fertigung der elektrochemischen Zellen nur das in den Poren befindliche Wasser entfernen. Das Wasser, das in Form von teilweise hydrolisiertem keramischen Material vorliegt, lässt sich auf diese Weise jedoch nicht entfernen. Dies führt bei geladenen elektrochemischen Zellen, insbesondere bei Zellen, in denen Alkali- oder Erdalkali-Ionen eingesetzt werden, zu Problemen. Denn bei der Reaktion von Batteriebestandteilen mit diesem Wasser kommt es zu exothermen batterieschädigenden Reaktionen. Dadurch wird die Zelle insgesamt sehr heiß, wodurch sehr viel Energie im ersten Ladezyklus verbraucht wird. Dies führt zu einer deutlich verschlechterten Langzeitstabilität. Außerdem treten vor allem lokal sehr große Überhitzungen auf. Dadurch kann die Zelle schon bei der Produktion so stark geschädigt werden, dass sie von Beginn an unbrauchbar ist.However, all of these separators with an inorganic composite structure were found to contain water, especially if they are stored in high humidity. The water in such a separator is available in two forms: first, in the very small pores of the separator, where it is liquid due to the pore condensation; on the other hand in the form of partially hydrolyzed ceramic material, such as silicon dioxide, which is present on the surface of the pores of the inorganic composite structure. If such a moist separator is used to produce electrochemical cells, only the water in the pores can be removed in a drying step in the manufacture of the electrochemical cells. However, the water, which is in the form of partially hydrolyzed ceramic material, cannot be removed in this way. This results in charged electrochemical cells, in particular problems with cells in which alkali or alkaline earth ions are used. Because the reaction of battery components with this water leads to exothermic battery-damaging reactions. This makes the cell very hot overall, which consumes a lot of energy in the first charge cycle. This leads to a significantly deteriorated long-term stability. In addition, very high overheating occurs locally. As a result, the cell can be damaged so badly during production that it can no longer be used.
Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Herstellung eines nahezu wasserfreien Separators für eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, einen Separator, der nach diesem Verfahren herstellbar ist, sowie eine verbesserte elektrochemische Zelle, die einen solchen Separator umfasst.The present invention was therefore the task is based on a method for producing an almost anhydrous separator for to provide an electrochemical cell, a separator that can be produced by this method, and an improved electrochemical Cell that includes such a separator.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Separators mit niedrigem Wassergehalt für eine elektrochemische Zelle gelöst, das folgende Schritte umfasst:
- (a) Bereitstellung eines Gemisches, das (a-1) eine Lithiumverbindung mit einem sich bei Erwärmung leicht verflüchtigenden Rest, (a-2) ein Löse- und/oder Dispergiermittel und (a-3) gegebenenfalls weitere Gemischkomponenten umfasst;
- (b) Herstellung eines Separatorvorprodukts mit dem Gemisch, wobei auf der Oberfläche des Separatorvorprodukts zumindest teilweise die Lithiumverbindung exponiert vorliegt;
- (c) Erhitzen des Separatorvorprodukts auf eine Temperatur von 50 bis 350°C für eine vorbestimmte Zeit, um den Rest der Lithiumverbindung, gegebenenfalls pyrolytisch, zumindest teilweise von der Oberfläche des Separatorvorprodukts zu entfernen und den Separator mit niedrigem Wassergehalt zu schaffen.
- (a) providing a mixture which comprises (a-1) a lithium compound with a residue which is readily volatilized on heating, (a-2) a solvent and / or dispersant and (a-3) optionally further mixture components;
- (b) producing a separator intermediate with the mixture, the lithium compound being at least partially exposed on the surface of the separator intermediate;
- (c) heating the separator intermediate to a temperature of 50 to 350 ° C for a predetermined time to at least partially remove the rest of the lithium compound, optionally pyrolytically, from the surface of the separator intermediate and to provide the separator with a low water content.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt (b) die Kontaktierung eines porösen eine anorganische Beschichtung aufweisenden Trägers mit dem Gemisch aus Schritt (a), wobei das Gemisch vorzugsweise eine Lösung der Lithiumverbindung in einem Lösemittel ist, um die innere und/oder äußere Oberfläche des porösen Trägers mit dem Gemisch zu behandeln und das Separatorvorprodukt zu schaffen.In one embodiment of the invention step (b) contacting a porous an inorganic coating having carrier with the mixture from step (a), the mixture preferably a solution the lithium compound in a solvent is to the inner and / or outer surface of the porous carrier to treat with the mixture and to create the separator intermediate.
Der poröse eine anorganische Beschichtung aufweisende Träger umfasst vorzugsweise ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat, auf und in dem sich die anorganische Beschichtung befindet.The porous is an inorganic coating having carriers preferably comprises a flat, with a variety of openings provided, flexible substrate on and in which the inorganic Coating is located.
Die Kontaktierung und die Behandlung innerer und/oder äußerer Oberflächen eines porösen eine anorganische Beschichtung aufweisenden Trägers mit einem Gemisch kann z. B. so durchgeführt werden, dass der poröse eine anorganische Beschichtung aufweisende Träger von einer Rolle abgerollt wird, mit einer Geschwindigkeit von 1 m/h bis 2 m/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min bis 20 m/min und ganz besonders bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min bis 5 m/min durch zumindest eine Apparatur, welche das Gemisch auf und in den Träger bringt, wie z. B. eine Walze, und zumindest eine weitere Apparatur, welche das Erhitzen des Separatorvorprodukts ermöglicht, wie z. B. ein elektrisch beheizter Ofen, durchläuft und das so hergestellte Produkt auf einer zweiten Rolle aufgerollt wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Separator im Durchlaufverfahren zu schaffen. Auch die Vorbehandlungsschritte können im Durchlaufverfahren unter Beibehaltung der genannten Parameter durchgeführt werden.Contacting and treatment inner and / or outer surfaces of a porous a carrier having an inorganic coating with a mixture z. B. done so be that the porous a carrier having an inorganic coating is unrolled from a roll is preferably at a speed of 1 m / h to 2 m / s at a speed of 0.5 m / min to 20 m / min and very special preferably at a speed of 1 m / min to 5 m / min at least one apparatus which brings the mixture onto and into the carrier, such as B. a roller, and at least one other apparatus, which heating the separator precursor enables such. B. an electric heated oven, goes through and the product thus produced is rolled up on a second roll. In this way it is possible a separator according to the invention in a continuous process. Even the pre-treatment steps can in Continuous process can be carried out while maintaining the parameters mentioned.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Verfahren so durchgeführt wird, dass der poröse eine anorganische Beschichtung aufweisende Träger während des Behandlungsprozesses eine maximale Spannung in Längsrichtung von 10 N/cm, vorzugsweise von 3 N/cm aufweist. Unter Behandlungsprozessen werden dabei alle Verfahrenschritte verstanden, bei denen ein Material auf und in einen Träger gebracht wird. Vorzugsweise wird der Träger während des Behandlungsprozesses mit einer maximalen Kraft von 0,01 N/cm gespannt. Besonders bevorzugt kann es sein, wenn der Träger während des Behandlungsprozesses in Längsrichtung ungespannt geführt wird.It has proven to be particularly beneficial proved if the process is carried out so that the porous one carriers having an inorganic coating during the treatment process a maximum tension in the longitudinal direction of 10 N / cm, preferably of 3 N / cm. Be among treatment processes understood all process steps in which a material on and in a carrier brought. The carrier is preferably used during the treatment process tensioned with a maximum force of 0.01 N / cm. Particularly preferred it can be if the carrier while of the treatment process in the longitudinal direction led relaxed becomes.
Durch die Kontrolle der Zugspannung während der Behandlung kann vermieden werden, dass eine Deformation (auch elastische) des Trägermaterials stattfindet. Durch eine evtl. Deformation (Dehnung) bei zu hoher Zugspannung kann die keramische Beschichtung dem Träger-Werkstoff bzw. Substrat-Werkstoff nicht folgen, was dazu führt, das die Beschichtung sich auf der gesamten Fläche vom Substrat löst. Das daraus resultierende Produkt kann dann nicht bestimmungsgemäß verwendet werden.By checking the tension while Treatment can prevent deformation (also elastic) of the carrier material takes place. Due to a possible deformation (elongation) with too high The ceramic coating can tension the carrier material or substrate material does not follow, which leads to the fact that the coating itself over the entire area detaches from the substrate. The resulting product cannot then be used as intended become.
Der poröse eine anorganische Beschichtung aufweisende Träger kann zum Beispiel ein Separator mit einer anorganischen Verbundstruktur sein, der bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Somit kann vorteilhaft durch eine nachträgliche Behandlung ein im Hinblick auf den Wassergehalt verbesserter Separator geschaffen werden.The porous is an inorganic coating having carriers can for example a separator with an inorganic composite structure be that is already known from the prior art. So can advantageous through a subsequent Treatment an improved separator in terms of water content be created.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird erst nach einer Bestimmung der freien OH-Gruppen in dem porösen Träger, im Verhältnis zu der Anzahl dieser freien OH-Gruppen die 0,5 bis 1,5-fache, vorzugsweise 0,7 bis 1,0-fache stöchiometrische Menge an Lithiumverbindung eingesetzt. Damit soll verhindert werden, dass sich Li2O in zu großen Mengen bilden kann. Bei einem Überschuss der Lithiumverbindung von mehr als dem 1,5-fachen molaren Überschuss im Verhältnis zu der Anzahl der OH-Gruppen in dem Träger, kann sich nämlich Li2O in größeren Mengen bilden. Wegen der Hygroskopie von Li2O sollten größere Mengen an Li2O aber vorzugsweise vermieden werden, da sonst der Wassergehalt des Separators nachteilig erhöht werden kann. Besonders bevorzugt wird daher im Verhältnis zu den OH-Gruppen eine äquimolare Menge an Lithium-Verbindung eingesetzt oder sogar ein Unterschuss an der Lithiumverbindung. Vorzugsweise sollte der Unterschuss aber nicht weniger als die 0,5-fache, besonders bevorzugt nicht weniger als die 0,7-fache stöchiometrische Menge an Lithiumverbindung im Verhältnis zu der Menge der OH-Gruppen eingesetzt werden.In a particularly preferred embodiment, only after a determination of the free OH groups in the porous carrier, in relation to the number of these free OH groups, is the 0.5 to 1.5 times che, preferably 0.7 to 1.0 times the stoichiometric amount of lithium compound used. This is to prevent Li 2 O from forming in excessive amounts. With an excess of the lithium compound of more than 1.5 times the molar excess in relation to the number of OH groups in the carrier, Li 2 O can form in larger amounts. Because of the hygroscopic nature of Li 2 O, larger amounts of Li 2 O should be preferably avoided but, otherwise, the water content of the separator may be adversely increased. It is therefore particularly preferred to use an equimolar amount of lithium compound in relation to the OH groups or even a deficit in the lithium compound. However, the deficit should preferably be used not less than 0.5 times, particularly preferably not less than 0.7 times the stoichiometric amount of lithium compound in relation to the amount of OH groups.
Die Bestimmung der OH-Gruppen erfolgt
nach folgendem Verfahren:
Eine im Vakuum bei 120°C getrocknete
Probe (wobei nur Wasser nicht aber OH-Gruppen entfernt wurden) wird in einem
Zweihalskolben mit Tropftrichter und seitlichem Ausgang für Gase vorgelegt.
Dann tropft man zu dieser Probe langsam eine Lösung von 1 mol/L Lithiumaluminiumhydrid
in Tetrahydrofuran. Bei der Umsetzung des Lithiumaluminiumhydrids
mit OH-Gruppen entsteht Wasserstoff (und zwar in einer Stöchiometrie
von 1 mol entweichendem Wasserstoff pro 1 mol OH-Gruppen in der
Probe). Der entstandene Wasserstoff wird volumetrisch gemessen.
Die Menge des entstandenen Wasserstoffs lässt sich so in die Anzahl der
OH-Gruppen umrechnen.The OH groups are determined using the following procedure:
A sample dried in a vacuum at 120 ° C. (only water but no OH groups being removed) is placed in a two-necked flask with a dropping funnel and a side outlet for gases. A solution of 1 mol / L lithium aluminum hydride in tetrahydrofuran is then slowly added dropwise to this sample. When the lithium aluminum hydride is reacted with OH groups, hydrogen is produced (in a stoichiometry of 1 mol of escaping hydrogen per 1 mol of OH groups in the sample). The hydrogen produced is measured volumetrically. The amount of hydrogen produced can thus be converted into the number of OH groups.
Die Verringerung des Wassergehalts in einem nach dem oben beschriebenen Verfahren behandelten Separator lässt sich wie folgt erklären. Durch die Behandlung eines Separators, der gebundenes Wasser in Form von teilweise hydrolyisiertem keramischen Material, wie z.B. Siliziumdioxid aufweist, werden Gruppen mit der Struktur -M-O-H in Gruppen mit der Struktur -M-O-Li überführt, wobei M für ein Element steht, das ein keramisches Material bildet. M ist dabei vorzugsweise ein Element der Gruppe 3A, 4A, 3B oder 4B des Periodensystems der Elemente, in der Regel eines der Elemente Silizium, Aluminium und Zirkonium. D.h. es wird eine Struktur geschaffen, in der über Sauerstoffbrücken an Atome eines der Elemente M gebundene Lithiumatome vorliegen. Selbst wenn durch widrige Umstände Wasser an diese Struktur gelangt, führt dies zu keinen großen Problemen. Zwar kann eine geringfügige Hydrolyse der Struktur -M-O-Li wieder zur Rückbildung einer Gruppe mit der Struktur -M-O-H stattfinden. Diese zurückgebildete -M-O-H-Struktur ist aber nun isoliert. In ihrer Nachbarschaft gibt es keine weitere -M-O-H-Gruppe mehr, mit der zusammen sie freies Wasser freisetzt, das die Bestandteile der elektrochemischen Zelle schädigt.The reduction in water content in a separator treated according to the method described above let yourself explain as follows. By treating a separator, the bound water is in the form of partially hydrolyzed ceramic material, e.g. silica has groups with the structure -M-O-H in groups with transferred to the structure -M-O-Li, where M for one Element stands that forms a ceramic material. M is there preferably an element from group 3A, 4A, 3B or 4B of the periodic table of the elements, usually one of the elements silicon, aluminum and zirconium. That it creates a structure in which oxygen bonds Atoms of one of the elements M are bound lithium atoms. Self if by adverse circumstances Water getting to this structure does not cause any major problems. Although a minor Hydrolysis of the structure -M-O-Li again to re-form a group with of the structure -M-O-H take place. This diminished -M-O-H structure but is now isolated. There are no others in their neighborhood -M-O-H group more with which it releases free water, that damages the components of the electrochemical cell.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist eine durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte Erhöhung der Leitfähigkeit eines mit einem Elektrolyten gefüllten erfindungsgemäßen Separators. In einem erfindungsgemäßen Separator, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist, stehen die Oberflächenpositionen des Lithium-Ions für den Ladungstransport über die Oberfläche zur Verfügung. Dies führt zu einer erhöhten Leitfähigkeit durch den Separator. Da dieser schnelle Ladungstransport ausschließlich über Lithium-Ionen erfolgt, kommt es zu einer vorteilhaften Erhöhung der Überführungszahl für Kationen. Dadurch kann vorteilhafterweise die Empfindlichkeit einer mit einem solchen Separator ausgestatteten elektrochemischen Zelle gegenüber hohen Entladeströmen verringert werden. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Polarisation in einer solchen elektrochemischen Zelle reduziert. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Belastbarkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Separatoren erhöht ist. Somit können die elektrochemischen Zellen vorteilhaft mit größeren Strömen entladen werden.Another advantage of the invention is one by the inventive method achieved increase in conductivity one filled with an electrolyte separator according to the invention. In a separator according to the invention, which is filled with an electrolyte is the surface positions of the lithium ion for the charge transport over the surface to disposal. this leads to to an elevated conductivity through the separator. Because this rapid charge transport is carried out exclusively via lithium ions takes place, there is an advantageous increase in the number of transfers for cations. As a result, the sensitivity of one with a such a separator equipped electrochemical cell against high discharging be reduced. In this way, polarization becomes advantageous reduced in such an electrochemical cell. This has the additional Advantage that the resilience of the process according to the invention manufactured separators increased is. So you can the electrochemical cells are advantageously discharged with larger currents.
Es ist aber auch möglich einen
verbesserten Separator schon bei der Herstellung desselben gemäß der folgenden
Ausführungsform
zu schaffen. Bei dieser weiteren Ausführungsform der Erfindung ist
das Gemisch in Schritt (a) vorzugsweise eine Dispersion, die als
weitere Gemischkomponenten
(a-3.1) ein Oxid-Sol, insbesondere
ein Kieselsäuresol,
(a-3.2)
keramische Partikel und
(a-3.3) gegebenfalls feine Teilchen,
umfasst,
wobei der Schritt (b) folgende Schritte umfasst:
(b-1)
Bereitstellung von einem flächigen,
mit einer Vielzahl von Öffnungen
versehenen, flexiblen Substrat,
(b-2) Aufbringen der Dispersion
in einer dünnen
Schicht auf und in das Substrat, wobei das Separatorvorprodukt geschaffen
wird,
und wobei im Schritt (c) durch das Erwärmen des
Separatorvorprodukts auf 50 bis 350°C ein Separator mit einem porösen eine
anorganische Beschichtung aufweisenden Träger geschaffen wird.However, it is also possible to create an improved separator during the manufacture of the same according to the following embodiment. In this further embodiment of the invention, the mixture in step (a) is preferably a dispersion which is used as further mixture components
(a-3.1) an oxide sol, in particular a silica sol,
(a-3.2) ceramic particles and
(a-3.3) optionally fine particles, comprises,
step (b) comprising the following steps:
(b-1) providing a flat flexible substrate provided with a plurality of openings,
(b-2) applying the dispersion in a thin layer on and into the substrate, thereby creating the separator intermediate,
and wherein in step (c) a separator with a porous carrier having an inorganic coating is created by heating the separator intermediate to 50 to 350 ° C.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass insgesamt weniger Schritte notwendig sind, um einen Separator mit niedrigem Wassergehalt zu schaffen.This embodiment has the advantage that overall fewer steps are necessary to get a separator to create with low water content.
Das Substrat kann aus einem Vlies aus ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Polymerfasern, Keramikfasern oder Glasfasern bestehen.The substrate can be made from a nonwoven made of non-woven, non-electrically conductive polymer fibers, ceramic fibers or glass fibers.
Die feinen Teilchen können eine mittlere Primärpartikelgröße im Bereich von 1 bis 200 nm, vorzugsweise 2 bis 100 nm, ganz besonders bevorzugt 3 bis 50 nm aufweisen. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise die Standzeit und Lebensdauer des Separators verbessert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die feinen Teilchen ein pyrogenes Oxid der Elemente Silizium, Zirkonium und/oder Aluminium, wie z. B. Silica, insbesondere Aerosil oder Aluminiumoxid.The fine particles can have an average primary particle size in the range from 1 to 200 nm, preferably 2 to 100 nm, very particularly preferably 3 to 50 nm. As a result, the service life and service life of the separator can be improved in an advantageous manner. In a preferred embodiment the fine particles contain a pyrogenic oxide of the elements silicon, zirconium and / or aluminum, such as. B. silica, in particular Aerosil or aluminum oxide.
Vorzugsweise weist die Dispersion als keramische Partikel Oxid-Partikel der Elemente Si und gegebenenfalls Al, und/oder Zr mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 5 μm, auf.The dispersion preferably has as ceramic particles oxide particles of the elements Si and optionally Al, and / or Zr with an average particle size of 0.1 to 10 μm, preferably 0.5 to 5 μm, on.
Die in Schritt (a) zu verwendende Lithiumverbindung wird vorzugsweise ausgewählt aus Lithiumnitrat, Lithiumchlorid, Lithiumcarbonat, Lithiumacetat, Lithiumformiat, Lithiumazid, Lithiummetallhydriden, wie z.B. LiAlH4, Lithiumalkoholaten oder lithiumorganischen Verbindungen.The lithium compound to be used in step (a) is preferably selected from lithium nitrate, lithium chloride, lithium carbonate, lithium acetate, lithium formate, lithium azide, lithium metal hydrides, such as LiAlH 4 , lithium alcoholates or organolithium compounds.
Das Löse- oder Dispergiermittel in Schritt (a) kann wässerig oder nicht wässerig sein, wie z.B. Wasser, ein Alkohol, Keton, Ether, gesättigter und/oder ungesätigter Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch davon.The solvent or dispersant in Step (a) can be aqueous or not watery be such as Water, an alcohol, ketone, ether, saturated and / or unsaturated Hydrocarbon or a mixture thereof.
Der Träger ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein flexibles Vlies mit einer auf und in diesem Vlies befindlichen porösen anorganischen Beschichtung, wobei das Material des Vlieses aus ungewebten, nicht elektrisch leitfähigen Polymerfasern ausgewählt sein kann. Es kann aber auch ein Vlies oder Gewebe aus Keramik- oder Glasfasern sein.The carrier is one preferred embodiment of the method according to the invention a flexible fleece with one on and in this fleece porous inorganic coating, the material of the fleece made of non-woven, not electrically conductive Polymer fibers selected can be. But it can also be a fleece or woven ceramic or be glass fibers.
Vorzugsweise weist ein solches Vlies eine Dicke von höchstens 30 μm auf, ganz besonders bevorzugt eine Dicke von 5 bis 30 μm.Such a fleece preferably has a thickness of at most 30 μm, a thickness of 5 to 30 μm is very particularly preferred.
Der poröse eine anorganische Beschichtung aufweisende Träger bzw. das flächige, eine Vielzahl von Öffnungen aufweisende, flexible Substrat umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Fasern, bevorzugt ausgewählt aus Fasern von Polyamid, Polyacrylnitril, Polyester, wie z.B. Polyethylenterephtalat (PET) und/oder Polyolefin, wie z.B. Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), Glasfasern oder Keramikfasern. Wenn der Träger bzw. das flexible Substrat Polymerfasern umfasst, können andere als die oben genannten Polymerfasern eingesetzt werden, sofern sie sowohl die für die Herstellung der Separatoren erforderliche Temperaturstabilität aufweisen als auch unter den Betriebsbedingungen in einer Lithiumbatterie stabil sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Separator Polymerfasern auf, die eine Erweichungstemperatur von größer 100 °C und eine Schmelztemperatur von größer 110 °C aufweisen.The porous is an inorganic coating having carriers or the flat, a variety of openings comprising, flexible substrate comprises in a preferred embodiment fibers of the present invention, preferably selected from Fibers of polyamide, polyacrylonitrile, polyester, e.g. polyethylene terephthalate (PET) and / or polyolefin, e.g. Polyethylene (PE) or polypropylene (PP), glass fibers or ceramic fibers. If the carrier or the flexible substrate Includes polymer fibers polymer fibers other than those mentioned above are used, provided they both the for the manufacture of the separators have the required temperature stability as well as under the operating conditions in a lithium battery are stable. In a preferred embodiment, the separator according to the invention Polymer fibers that have a softening temperature of greater than 100 ° C and a Have a melting temperature of greater than 110 ° C.
Der Träger bzw. das Substrat kann Fasern und/oder Filamente mit einem Durchmesser von 1 bis 150 μm, vorzugsweise 1 bis 20 μm, und/oder Fäden mit einem Durchmesser von 3 bis 150 μm, vorzugsweise 10 bis 70 μm, umfassen.The carrier or the substrate can Fibers and / or filaments with a diameter of 1 to 150 microns, preferably 1 to 20 μm, and / or threads with a diameter of 3 to 150 microns, preferably 10 to 70 microns.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat ein Vlies mit einer Porenweite von 5 bis 500 μm, vorzugsweise 10 bis 200 μm.In a further embodiment According to the invention, the substrate is a nonwoven with a pore size of 5 to 500 μm, preferably 10 to 200 μm.
Vorzugsweise weist das flexible Vlies ein Flächengewicht von kleiner 20 g/m2 auf.The flexible nonwoven preferably has a weight per unit area of less than 20 g / m 2 .
Ferner ist bevorzugt, dass das flexible Vlies eine Porosität von mehr als 50 % aufweist.It is further preferred that the flexible Fleece a porosity of more than 50%.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die auf und in dem Vlies befindliche poröse anorganische Beschichtung keramische Oxid-Partikel der Elemente Si und gegebenenfalls Al, und/oder Zr mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 5 μm, auf.In a preferred embodiment has the porous inorganic coating on and in the fleece ceramic oxide particles of the elements Si and optionally Al, and / or Zr with an average particle size of 0.1 to 10 μm, preferably 0.5 to 5 μm, on.
Ganz besonders bevorzugt weist die auf und in dem Vlies befindliche poröse anorganische Beschichtung Aluminiumoxid-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 bis 5 μm auf, die mit einem Oxid der Elemente Zr oder Si verklebt sind.Very particularly preferably, the porous inorganic coating on and in the fleece Alumina particles with an average particle size of 0.5 up to 5 μm which are bonded with an oxide of the elements Zr or Si.
Der Träger weist vorzugsweise eine Porosität von 30 bis 90 % auf.The carrier preferably has one porosity from 30 to 90%.
Vorteilhafterweise kann der Separator, der erfindungsgemäß erhalten, wird eine Reißfestigkeit von mehr als 1 N/cm aufweisen.The separator can advantageously who received according to the invention, becomes a tear resistance of more than 1 N / cm.
Außerdem ist der Separator bzw. das Separatorvorprodukt aufgrund seiner Verbundstruktur vorzugsweise ohne Beschädigung auf einen Radius bis herab zu 100 mm, vorzugsweise bis zu 1 mm, biegbar.In addition, the separator or the pre-separator is preferred due to its composite structure without damage to a radius down to 100 mm, preferably up to 1 mm, bendable.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke des Separators höchstens 35 μm.In a preferred embodiment is the thickness of the separator at most 35 μm.
Die Kontaktierung im Schritt (b) bzw. das Aufbringen der dünnen Schicht in Schritt (b-2) erfolgt bevorzugt durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen, Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen des Gemischs bzw. der Dispersion.The contacting in step (b) or the application of the thin Layer in step (b-2) is preferably carried out by printing, pressing, Pressing in, rolling up, knife application, spreading, dipping, spraying or infusion of the mixture or the dispersion.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Separator für eine elektrochemische Zelle gelöst, der nach einem der oben beschriebenen Verfahren erhältlich ist.Furthermore, the object of the invention through a separator for solved an electrochemical cell that is obtainable by one of the methods described above.
Vorzugsweise liegen auf inneren und/oder äußeren Oberflächen des erfindungsgemäßen Separators über eine Sauerstoffbrücke an Atomen eines Elements der Gruppe 3A, 4A, 3B oder 4B des Periodensystems der Elemente, vorzugsweise ausgewählt aus einem der Elemente Silizium, Aluminium und Zirkonium, gebundene Lithiumatome vor. Der Nachweis solcher Strukturen ist durch Raman-Spektroskopie möglich.Preferably lie on inner and / or outer surfaces of the separator according to the invention via a oxygen bridge on atoms of an element from group 3A, 4A, 3B or 4B of the periodic table of the Elements, preferably selected bonded from one of the elements silicon, aluminum and zirconium Lithium atoms. The detection of such structures is by Raman spectroscopy possible.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Separator mit einem niedrigen Wassergehalt einen Wassergehalt von weniger als 1000 ppm, vorzugsweise weniger als 500 ppm, ganz besonders bevorzugt weniger als 200 ppm auf.With a particularly advantageous embodiment According to the invention, the separator has a low water content a water content of less than 1000 ppm, preferably less than 500 ppm, very particularly preferably less than 200 ppm.
Der Separator der vorliegenden Erfindung ist aufgrund seiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung hervorragend geeignet für elektrochemische Zellen mit hoher Kapazität und hoher Energiedichte. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Separator für elektrochemische Zellen geeignet, die auf der Übertragung von Alkali- und/oder Erdalkali-Metall-Ionen beruhen, wie z.B. Lithium-Metall- und Lithium-Ionen-Batterien. Daher ist es vorteilhaft, wenn diese Separatoren auch die für diese Anwendungen spezifischen Schutzmaßnahmen, wie die Unterbrechungseigenschaft und Kurzschlusseigenschaft mit hoher Kurzschlusstemperatur zeigen. Unter Unterbrechungseigenschaft oder Abschaltung ("shut-down") ist eine Maßnahme zu verstehen, bei der dem Separator für bestimmte Betriebstemperaturen auszusuchende und leicht schmelzende Stoffe, wie zum Beispiel thermoplastische Kunststoffe, einverleibt sein können. Bei einem Ansteigen der Betriebstemperatur durch Störungen wie Überladung, äußere oder innere Kurzschlüsse, können solche leicht schmelzenden Stoffe schmelzen und die Poren des Separators verstopfen. Somit wird der Ionenfluss durch den Separator teilweise oder vollständig blockiert und ein weiteres Ansteigen der Temperatur wird verhindert. Kurzschlusseigenschaft oder Zusammenbruch ("melt-down") bedeutet, dass der Separator bei einer Kurzschlusstemperatur vollständig schmilzt. Dann kann es zwischen großen Flächen der Elektroden einer elektrochemischen Zelle zu einem Kontakt und einem Kurzschluss kommen. Für einen sicheren Betrieb einer elektrochemischen Zelle mit hoher Kapazität und Energiedichte ist eine möglichst hohe Kurzschlusstemperatur wünschenswert. Der erfindungsgemäße Separator weist dabei einen bedeutenden Vorteil auf. Denn das Keramikmaterial das bei dem Separator der vorliegenden Erfindung an dem durchbrochenen Träger haftet, besitzt einen Schmelzpunkt, der weit oberhalb des sicherheitsrelevantes Temperaturbereichs für elektrochemische Zellen liegt. Der Separator der vorliegenden Erfindung weist daher eine überragende Sicherheit auf. Er ist nämlich bei einer bevorzugten sicheren Ausführungsform unter Einsatzbedingungen von mindestens 50°C stabil. Noch bevorzugterweise ist er bei mindestens 100°C, 150°C, und ganz besonders bevorzugt bei mindestens 180°C stabil.The separator of the present invention is outstandingly suitable for electrochemical cells with high capacity and high energy density due to its configuration according to the invention. In particular, the separator according to the invention is suitable for electrochemical cells which are based on the transfer of alkali and / or alkaline earth metal ions, such as, for example, lithium metal and lithium ion batteries. Therefore, it is advantageous if these separators also show the protective measures specific to these applications, such as the interruption property and short-circuit property with a high short-circuit temperature. Interrupting property or "shut-down" is to be understood as a measure in which easily separable substances, such as, for example, thermoplastic plastics, can be incorporated into the separator for specific operating temperatures. If the operating temperature rises due to faults such as overloading, external or internal short circuits, such easily melting substances can melt and clog the pores of the separator. The ion flow through the separator is thus partially or completely blocked and a further rise in temperature is prevented. Short-circuit property or melt-down means that the separator melts completely at a short-circuit temperature. A contact and a short circuit can then occur between large areas of the electrodes of an electrochemical cell. For a safe operation of an electrochemical cell with a high capacity and energy density, the highest possible short-circuit temperature is desirable. The separator according to the invention has a significant advantage. This is because the ceramic material which adheres to the perforated carrier in the separator of the present invention has a melting point which is far above the safety-relevant temperature range for electrochemical cells. The separator of the present invention therefore has superior safety. It is namely stable in a preferred safe embodiment under operating conditions of at least 50 ° C. Even more preferably, it is stable at at least 100 ° C, 150 ° C, and most preferably at least 180 ° C.
Polymerseparatoren bringen beispielsweise die für Lithium-Batterien zur Zeit geforderte Sicherheit, indem sie ab einer bestimmten Temperatur (der Shut-Down-Temperatur, die bei ca. 120 °C liegt) jeglichen Stromtransport durch den Elektrolyten unterbinden. Dies geschieht dadurch, dass bei dieser Temperatur das Porengefüge des Separators zusammenbricht und alle Poren verschlossen werden. Dadurch, dass keine Ionen mehr transportiert werden können, kommt die gefährliche Reaktion, die zur Explosion führen kann, zum erliegen. Wird die Zelle aufgrund äußerer Umstände aber weiter erwärmt, so wird bei ca. 150 bis 180 °C die Break-Down-Temperatur überschritten. Ab dieser Temperatur kommt es zum Schmelzen des Separators, wobei dieser sich zusammenzieht. An vielen Stellen in der Batteriezelle kommt es nun zu einem direkten Kontakt zwischen den beiden Elektroden und somit zu einem großflächigem inneren Kurzschluss. Dieser führt zur unkontrollierten Reaktion, die mit einer Explosion der Zelle endet, bzw. der entstehende Druck wird durch ein Überdruckventil (eine Berstscheibe) häufig unter Feuererscheinungen abgebaut.For example, polymer separators the for Lithium batteries currently require security by starting from one certain temperature (the shutdown temperature, which is around 120 ° C) prevent any current transport through the electrolyte. This happens because at this temperature the pore structure of the separator collapses and all pores are closed. As a result of that dangerous ions can no longer be transported Reaction leading to the explosion can, to succumb. If the cell is heated further due to external circumstances, then becomes at approx. 150 to 180 ° C the breakdown temperature was exceeded. From this temperature, the separator melts, whereby this contracts. In many places in the battery cell there is now a direct contact between the two electrodes and thus to a large interior Short circuit. This leads to the uncontrolled reaction with an explosion of the cell ends, or the pressure generated is through a pressure relief valve (a rupture disc) often degraded under fire.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Träger des Separators Polymerfasern. Bei diesem hybriden Separator, der anorganische Komponenten und polymeres Trägermaterial aufweist, kommt es zum Shut-Down (Abschaltung) wenn durch die hohe Temperatur das Polymergefüge des Trägermaterials schmilzt und in die Poren des anorganischen Materials eindringt und diese dadurch verschließt. Zum sogenannten Melt-Down (Zusammenbruch) kommt es bei dem erfindungsgemäßen Separator dagegen nicht. Der erfindungsgemäße Separator erfüllt also die Anforderungen nach einer von verschiedenen Batterieherstellern geforderten Sicherheitsabschaltung durch den Shut-Down in den Batteriezellen. Die anorganischen Partikel sorgen dafür, dass es niemals zu einem Melt-Down kommen kann. Somit ist sichergestellt, dass es keine Betriebszustände gibt, in denen ein großflächiger Kurzschluss entstehen kann.In a particularly preferred embodiment of the invention comprises the carrier of the separator polymer fibers. With this hybrid separator, the has inorganic components and polymeric carrier material comes it to shutdown if the high temperature Polymer structure of the support material melts and penetrates into the pores of the inorganic material and thereby closes it. The separator according to the invention, on the other hand, leads to so-called meltdown Not. The separator according to the invention Fulfills so the requirements for one of different battery manufacturers required safety shutdown by the shutdown in the battery cells. The inorganic particles ensure that it never becomes one Melt-down can come. This ensures that there are no operating states, in which a large-scale short circuit can arise.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Separator einen zusätzlichen nicht inhärenten Shut-Down-Mechanismus aufweist. Dieser kann z. B. dadurch realisiert werden, dass auf oder in dem Separator eine sehr dünne Wachs- oder Polymerpartikelschicht sogenannter Abschaltpartikel, die bei einer gewünschten Abschalttemperatur schmelzen, vorhanden ist. Besonders bevorzugte Materialien, aus denen die Abschaltpartikel bestehen können, sind beispielweise natürliche oder künstliche Wachse, niedrigschmelzende Polymere, wie z. B. Polyolefine, wobei das Material der Abschaltpartikel so ausgewählt wird, das die Partikel bei der gewünschten Abschalttemperatur aufschmelzen und die Poren des Separators verschließen, so dass ein weiterer Ionenfluss verhindert wird.It can be advantageous if the Separator an additional not inherent Shut-down mechanism. This can e.g. B. realized thereby that there is a very thin wax on or in the separator or polymer particle layer of so-called shutdown particles, which at a desired one Melt shutdown temperature, is present. Particularly preferred Materials from which the shutdown particles can be made for example natural or artificial Waxes, low-melting polymers such as B. polyolefins, wherein the material of the shutdown particles is selected so that the particles at the one you want Melt the switch-off temperature and close the pores of the separator, see above that further ion flow is prevented.
Vorzugsweise weisen die Abschaltpartikel eine mittlere Partikelgröße (DW) auf, die größer oder gleich der mittleren Porengröße (dS) der Poren der porösen anorganischen Schicht des Separator ist. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil so ein Eindringen und Verschließen der Poren der Separatorschicht, welches eine Reduktion des Porenvolumens und damit der Leitfähigkeit des Separators und auch der Leistungsfähigkeit der Batterie zur Folge hätte, verhindert wird. Die Dicke der Abschaltpartikelschicht ist nur in sofern kritisch, wenn eine zu dicke Schicht den Widerstand in dem Batteriesystem unnötig erhöhen würde. Um eine sichere Abschaltung zu erzielen, sollte die Abschaltpartikelschicht eine Dicke (zW) aufweisen, die von ungefähr gleich der mittleren Partikelgröße der Abschaltpartikel (DW) bis zu 10 DW, vorzugsweise von 2 DW bis DW beträgt. Ein so ausgerüsteter Separator weist ein primäres Sicherheitsmerkmal auf. Im Gegensatz zu den rein organischen Separatormaterialien kann dieser Separator aber nicht vollständig schmelzen und es kann somit nicht zum Melt-Down kommen. Diese Sicherheitsmerkmale sind aufgrund der sehr großen Energiemengen für Hochenergiebatterien sehr wichtig und werden deshalb häufig gefordert.The shutdown particles preferably have an average particle size (D W ) which is greater than or equal to the average pore size (d S ) of the pores of the porous inorganic layer of the separator. This is particularly advantageous because it prevents the pores of the separator layer from penetrating and closing, which would result in a reduction in the pore volume and thus in the conductivity of the separator and also in the performance of the battery. The thickness of the cut-off particle layer is only critical if an excessively thick layer would unnecessarily increase the resistance in the battery system. In order to achieve a safe shutdown, the shutdown particle layer should have a thickness (z W ) that is approximately equal to the average particle size of the shutdown particles (D W ) up to 10 D W , preferably from 2 D W to D W. A separator equipped in this way has a primary safety feature. In contrast to the purely organic separator materials, this separator cannot melt completely and therefore there can be no meltdown. These safety features are very important due to the very large amounts of energy for high-energy batteries and are therefore often required.
Auch bei einem inneren Kurzschluss, der z. B. durch einen Unfall verursacht wurde, ist der erfindungsgemäße Separator sehr sicher. Würde sich z. B. ein Nagel durch eine Batterie bohren, geschieht je nach Separator folgendes: Der Polymerseparator würde an der Durchdringungsstelle (Ein Kurzschlussstrom fließt über den Nagel und heizt diesen auf) schmelzen und sich zusammenziehen. Dadurch wird die Kurzschlussstelle immer größer und die Reaktion gerät außer Kontrolle. Bei der Ausführungsform mit dem erfindungsgemäßen hybriden Separator schmilzt allenfalls das polymere Substratmaterial, nicht aber das anorganische Separatormaterial. Somit läuft die Reaktion im Inneren der Batteriezelle nach einem solchen Unfall sehr viel moderater ab. Diese Batterie ist somit deutlich sicherer als eine mit Polymerseparator. Dies kommt vor allem im mobilen Bereich zum Tragen.Even in the event of an internal short circuit, e.g. B. was caused by an accident, the separator according to the invention is very safe. Would z. B. drill a nail through a battery, depending on the Se parator the following: The polymer separator would melt and contract at the penetration point (a short-circuit current flows over the nail and heats it up). As a result, the short circuit point becomes larger and the reaction gets out of control. In the embodiment with the hybrid separator according to the invention, at most the polymeric substrate material melts, but not the inorganic separator material. The reaction inside the battery cell after such an accident is much more moderate. This battery is therefore significantly safer than one with a polymer separator. This is particularly important in the mobile area.
Das Verfahren zum Aufbringen einer Dispersion als dünne Schicht auf und in ein Substrat zur Herstellung eines Separators oder Separatorvorprodukts, und die Herstellung eines porösen eine anorganische Beschichtung aufweisenden Trägers, der vorzugsweise ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat umfasst, ist prinzipiell aus WO 99/15262 bekannt. Jedoch lassen sich nicht alle Parameter bzw. Einsatzstoffe einsetzen.The procedure for applying a Dispersion as a thin Layer on and in a substrate for the production of a separator or separator precursor, and the manufacture of a porous one inorganic coating carrier, preferably a sheetlike with a variety of openings provided, flexible substrate is principally from WO 99/15262 known. However, not all parameters or input materials can be deploy.
Eine Dispersion kann z. B. durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen auf und in das mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene, flexible Substrat gebracht werden.A dispersion can e.g. B. by Printing, pressing, pressing, rolling up, knife application, spreading, Dipping, spraying or pouring on and into the flexible substrate provided with a plurality of openings to be brought.
Die zum Auf- und Einbringen in das mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene, flexible Substrat kann ein Sol der Elemente Al, Zr und/oder Si aufweisen, und wird vorzugsweise durch Dispergieren von Keramikpartikeln und gegebenenfalls von feinen Teilchen in einem dieser Sole hergestellt. Die Sole können durch Hydrolisieren zumindest einer Verbindung, mit Wasser oder einer Säure oder einer Kombination dieser Verbindungen erhalten werden. Es kann vorteilhaft sein, die zu hydrolysierende Verbindung vor der Hydrolyse in Alkohol oder eine Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten zu geben. Als zu hydrolysierende Verbindung wird vorzugsweise zumindest ein Nitrat, ein Chlorid, ein Carbonat, ein Alkoholat oder eine element-organische Verbindung der Elemente Al, Zr und/oder Si hydrolisiert. Die Hydrolyse erfolgt vorzugsweise in Gegenwart von Wasser, Wasserdampf, Eis oder einer Säure oder eine Kombination dieser Verbindungen.The to apply and bring into the with a variety of openings provided, flexible substrate can be a sol of the elements Al, Zr and / or Si, and is preferably by dispersing ceramic particles and optionally made of fine particles in one of these brines. The brine can by hydrolyzing at least one compound, with water or an acid or a combination of these compounds. It can be advantageous, the compound to be hydrolyzed before hydrolysis in alcohol or an acid or a combination of these liquids to give. The compound to be hydrolyzed is preferably at least a nitrate, a chloride, a carbonate, an alcoholate or an element-organic Connection of the elements Al, Zr and / or Si hydrolyzed. The hydrolysis is preferably carried out in the presence of water, steam, ice or an acid or a combination of these compounds.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen partikuläre Sole hergestellt. Diese partikulären Sole zeichnen sich dadurch aus, dass die in dem Sol durch Hydrolyse entstandenen Verbindungen partikulär vorliegen. Die partikulären Sole können wie oben oder wie in WO 99/15262 beschrieben hergestellt werden. Diese Sole weisen üblicherweise einen sehr hohen Wassergehalt auf, der bevorzugt größer als 50 Gew.-% ist. Es kann vorteilhaft sein, die zu hydrolysierende Verbindung vor der Hydrolyse in Alkohol oder eine Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten zu geben. Die hydrolisierte Verbindung kann zum Peptisieren mit zumindest einer organischen oder anorganischen Säure, vorzugsweise mit einer 10 bis 60%igen organischen oder anorganischen Säure, besonders bevorzugt mit einer Mineralsäure, ausgewählt aus Schwefelsäure, Salzsäure, Perchlorsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure oder einer Mischung dieser Säuren behandelt werden. Die so hergestellten partikulären Sole können anschließend zur Herstellung von Dispersionen eingesetzt werden, wobei die Herstellung von Dispersionen zum Aufbringen auf mit polymerem Sol vorbehandelten Faservliesen bevorzugt ist.In an embodiment variant of the method according to the invention become particulate sols by hydrolysis of the compounds to be hydrolyzed manufactured. These particular ones Brines are characterized in that those in the sol by hydrolysis the resulting compounds are particulate. The particulate brine can be like above or as described in WO 99/15262. This Sols usually have one very high water content, which is preferably greater than 50 wt .-%. It can be advantageous, the compound to be hydrolyzed before hydrolysis in alcohol or an acid or a combination of these liquids to give. The hydrolyzed compound can be peptized with at least one organic or inorganic acid, preferably with one 10 to 60% organic or inorganic acid, particularly preferably with a mineral acid, selected from sulfuric acid, Hydrochloric acid, perchloric acid, phosphoric acid and nitric acid or a mixture of these acids be treated. The particulate sols thus produced can then be used for Production of dispersions are used, the production of Dispersions for application to polymer sol pretreated Nonwoven is preferred.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen polymere Sole hergestellt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Sol einen Anteil an Wasser und/oder Säure von kleiner 50 Gew.-% auf. Diese polymeren Sole zeichnen sich dadurch aus, dass die in dem Sol durch Hydrolyse entstandenen Verbindungen polymer (also kettenförmig über einen größeren Raum vernetzt) vorliegen. Die polymeren Sole weisen üblicherweise weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise sehr viel weniger als 20 Gew.-% an Wasser und/oder wässeriger Säure auf. Um auf den bevorzugten Anteil von Wasser und/oder wässeriger Säure zu kommen, wird die Hydrolyse vorzugsweise so durchgeführt, dass die zu hydrolisierende Verbindung mit dem 0,5 bis 10fachen Molverhältnis und bevorzugt mit dem halben Molverhältnis Wasser, Wasserdampf oder Eis, bezogen auf die hydrolisierbare Gruppe, der hydrolisierbaren Verbindung, hydrolisiert wird. Eine bis zu 10fache Menge an Wasser kann bei sehr langsam hydrolisierenden Verbindungen wie z. B. beim Tetraethoxysilan eingesetzt werden. Sehr schnell hydrolisierende Verbindungen wie das Zirkontetraethylat können unter diesen Bedingungen durchaus schon partikuläre Sole bilden, weshalb zur Hydrolyse solcher Verbindungen bevorzugt die 0,5fache Menge an Wasser eingesetzt wird. Eine Hydrolyse mit weniger als der bevorzugten Menge an Wasser, Wasserdampf, oder Eis führt ebenfalls zu guten Ergebnissen. Ein Unterschreiten der bevorzugten Menge von einem halben Molverhältnis um mehr als 50 % ist möglich aber nicht sehr sinnvoll, da beim Unterschreiten dieses Wertes die Hydrolyse nicht mehr vollständig ist, und Beschichtungen auf Basis solcher Sole nicht sehr stabil sind.In a further variant of the method according to the invention are polymerized by hydrolysis of the compounds to be hydrolyzed Brine made. In this preferred embodiment variant of the method according to the invention the sol has a water and / or acid content of less than 50% by weight. These polymeric sols are characterized in that the in the Sol compounds formed by hydrolysis polymer (i.e. chain-like over a larger space networked). The polymeric sols usually have less than 50 % By weight, preferably very much less than 20% by weight, of water and / or aqueous Acid on. To the preferred proportion of water and / or water Acid to come the hydrolysis is preferably carried out so that the hydrolysed Compound with the 0.5 to 10 times the molar ratio and preferably with the half molar ratio Water, steam or ice, based on the hydrolyzable group, the hydrolyzable compound is hydrolyzed. One up to 10 times the amount of water can with very slow hydrolyzing compounds such as B. be used in tetraethoxysilane. Very fast Hydrolyzing compounds such as zirconium tetraethylate can be found under These conditions already form particulate brine, which is why Hydrolysis of such compounds prefers 0.5 times the amount of water is used. Hydrolysis with less than the preferred one Amount of water, water vapor, or ice also gives good results. Falling below the preferred amount by half a mole ratio more than 50% is possible but not very useful, because if the value falls below this, the Hydrolysis is no longer complete and coatings based on such brine are not very stable are.
Zur Herstellung von Solen mit einem gewünschten sehr geringen Anteil an Wasser und/oder Säure im Sol kann es vorteilhaft sein, wenn die zu hydrolisierende Verbindung in einem organischen Lösemittel, insbesondere Ethanol, Isopropanol, Butanol, Amylalkohol, Hexan, Cyclohexan, Ethylacetat und oder Mischungen dieser Verbindungen, gelöst wird bevor die eigentliche Hydrolyse vorgenommen wird. Ein so hergestelltes Sol kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Separatoren eingesetzt werden.For the production of brines with a desired very small amount of water and / or acid in the sol it can be advantageous be when the compound to be hydrolyzed in an organic Solvents in particular ethanol, isopropanol, butanol, amyl alcohol, hexane, Cyclohexane, ethyl acetate and or mixtures of these compounds, solved before the actual hydrolysis is carried out. A so made Sol can be used to produce the separators according to the invention become.
Sowohl partikuläre Sole (großer Wasseranteil,
geringer Lösemittelanteil)
als auch polymere Sole (geringer Wasseranteil, großer Lösemittelanteil)
können
als Sol in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung einer Dispersion eingesetzt werden. Neben den Solen,
die wie gerade beschrieben erhältlich
sind, können prinzipiell
auch handelsübliche
Sole, wie z. B. Zirkonnitratsol oder Silicasol eingesetzt werden.
Das Verfahren zur Schaffung von Separatorvorprodukten durch Aufbringen
und Verfestigen einer Suspension auf einem Substrat ist an und für sich aus
Es wurde gefunden, dass ein Solsystem bzw. eine Dispersion, welches bzw. welche im Benetzungsverhalten den Polymeren angepasst wurde, Vliesmaterialien vollständig durchtränkt und somit fehlerfreie Beschichtungen erhältlich sind. Bevorzugt erfolgt bei dem Verfahren deshalb eine Anpassung des Benetzungsverhaltens des Sols bzw. der Dispersion. Diese Anpassung erfolgt vorzugsweise durch die Herstellung von Solen bzw. Dispersionen, wobei diese Sole einen oder mehrere Alkohole, wie z. B. Methanol, Ethanol oder Propanol oder Mischungen davon, und/oder aliphatische Kohlenwasserstoffe aufweisen, umfassen. Es sind aber auch andere Lösemittelgemische denkbar, die dem Sol bzw. der Dispersion zugegeben werden können, um diese im Benetzungsverhalten an das verwendete Vlies anzupassen.It was found that a sol system or a dispersion which or which in wetting behavior adapted to the polymers, soaked with nonwoven materials and thus flawless coatings are available. Preferably done in the process, therefore, an adjustment of the wetting behavior of the sol or the dispersion. This adjustment is preferably done by the production of brines or dispersions, these brines one or more alcohols, such as. B. methanol, ethanol or propanol or mixtures thereof, and / or aliphatic hydrocarbons have include. However, other solvent mixtures are also conceivable that can be added to the sol or the dispersion in order to improve the wetting behavior adapt to the fleece used.
Vorzugsweise beträgt der Massenanteil der suspendierten oder dispergierten Komponente (keramisch Partikel) an der Dispersion das 1 bis 100fache, besonders bevorzugt das 1 bis 50fache und ganz besonders bevorzugt das 1 bis 10fache des eingesetzten Sols. Besonders bevorzugt werden zur Herstellung der Dispersion als keramische Partikel Oxid-Partikel, wie z.B. Aluminiumoxidpartikel eingesetzt, die bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von 0,1 bis 10 μm, insbesondere 0,5 bis 5 μm aufweisen. Aluminiumoxid-Partikel im Bereich der bevorzugten Partikelgrößen werden beispielweise von der Firma Martinswerke unter den Bezeichnungen MDS 6; DN 206, MZS 3 und MZS 1 und von der Fa. Alcoa mit der Bezeichnung CL3000 SG, CT800 SG und NVA SG angeboten.The mass fraction of the suspended is preferably or dispersed component (ceramic particles) on the dispersion 1 to 100 times, particularly preferably 1 to 50 times and whole particularly preferably 1 to 10 times the sol used. Especially are preferred for producing the dispersion as ceramic particles Oxide particles, e.g. Alumina particles used, which are preferred an average particle size of 0.1 up to 10 μm, in particular 0.5 to 5 μm exhibit. Alumina particles are in the range of preferred particle sizes for example from the company Martinswerke under the designation MDS 6; DN 206, MZS 3 and MZS 1 and from Alcoa with the designation CL3000 SG, CT800 SG and NVA SG offered.
Es hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von handelsüblichen Oxidpartikeln oder keramischen Partikeln unter Umständen zu unbefriedigenden Ergebnissen führt, da häufig eine sehr große Korngrößenverteilung vorliegt. Es werden deshalb bevorzugt keramische Partikel eingesetzt, die durch ein herkömmliches Verfahren, wie z. B. Windsichten, Zentrifugieren und Hydroklassieren klassiert wurden. Bevorzugt werden als keramische Partikel solche Fraktionen eingesetzt, bei denen der Grobkornanteil, welcher bis zu 10 % der Gesamtmenge ausmacht, durch Nasssiebung abgetrennt wurde. Dieser störende Grobkornanteil, der auch durch die bei der Herstellung der Schlicker typische Verfahren wie etwa Mahlen (Kugelmühle, Attritormühle, Mörsermühle), Dispergieren (Ultra-Turrax, Ultraschall), Zerreiben oder Zerhacken nicht oder nur sehr schwer zerkleinert werden kann, kann z. B. bestehen aus Aggregaten, harten Agglomeraten, Mahlkugelabrieb. Durch die vorgenannten Maßnahmen wird erreicht, dass die anorganische poröse Schicht eine sehr gleichmäßige Porengrößenverteilung aufweist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass keramische Partikel eingesetzt werden, die eine maximale Partikelgröße von vorzugsweise 1/3 bis 1/5 und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1/10 der Dicke des eingesetzten Vlieses aufweisen.It has been found that the use of commercially available Under certain circumstances, oxide particles or ceramic particles leads to unsatisfactory results, because often a very big one Particle size distribution is present. Ceramic particles are therefore preferably used, by a conventional one Methods such as B. Air classification, centrifuging and hydroclassification were classified. Such ceramic particles are preferred Fractions are used in which the coarse grain fraction, which up accounts for 10% of the total amount, was separated by wet sieving. This annoying Coarse grain, which is also due to the production of the slip typical processes such as milling (ball mill, attritor mill, mortar mill), dispersing (Ultra-Turrax, ultrasound), not grating or chopping or can be crushed only with great difficulty, e.g. B. consist of Aggregates, hard agglomerates, grinding ball wear. By the aforementioned activities it is achieved that the inorganic porous layer has a very uniform pore size distribution having. This is achieved in particular in that ceramic Particles are used which preferably have a maximum particle size 1/3 to 1/5 and particularly preferably less than or equal to 1/10 of Have thickness of the fleece used.
Die folgende Tabelle 1 gibt eine Übersicht, wie sich die Wahl der verschiedenen Aluminiumoxide auf die Porosität und die resultierende Porengröße der jeweiligen porösen anorganischen Beschichtung auswirkt. Zur Ermittlung dieser Daten wurden die entsprechenden Schlicker (Suspensionen oder Dispersionen) hergestellt und als reine Formkörper bei 200 °C getrocknet und verfestigt.The following table 1 gives an overview, how the choice of different aluminum oxides depends on the porosity and the resulting pore size of the respective porous inorganic coating. To determine this data the corresponding slips (suspensions or dispersions) manufactured and as a pure molded body at 200 ° C dried and solidified.
Tabelle 1: Typische Daten von Keramiken in Abhängigkeit vom eingesetzten Pulvertyp Table 1: Typical data of ceramics depending on the type of powder used
Zur Verbesserung der Haftung der anorganischen Komponenten an Polymerfasern als Substrat kann es vorteilhaft sein, den eingesetzten Suspensionen Haftvermittler, wie z. B. organofunktionelle Silane beizufügen. Als Haftvermittler sind insbesondere Verbindungen, ausgewählt aus den Octylsilanen, den Vinylsilanen, den aminfunktionalisierten Silanen und/oder den Glycidylfunktionalisierten Silanen, wie z. B. die Dynasilane der Fa. Degussa einsetzbar. Besonders bevorzugte Haftvermittler für Polymerfasern, wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) sind Vinyl-, Methyl- und Octylsilane, wobei eine ausschließliche Verwendung von Methylsilanen nicht optimal ist, für Polyamide und Polyamine sind es Aminfunktionelle Silane, für Polyacrylate und Polyester sind es Glycidylfunktionalisierte Silane und für Polyacrylnitril kann man auch Glycidylfunktionalisierte Silane einsetzen. Auch andere Haftvermittler sind einsetzbar, die aber auf die jeweiligen Polymere abgestimmt sein müssen. Die Haftvermittler werden vorteilhafterweise so ausgewählt, dass die Verfestigungstemperatur unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des als Substrat eingesetzten Polymeren und unterhalb dessen Zersetzungstemperatur liegt. Bevorzugt weisen erfindungsgemäße Dispersionen sehr viel weniger als 25 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 10 Gew.-% Verbindungen auf, die als Haftvermittler fungieren können. Ein optimaler Anteil an Haftvermittler ergibt sich aus der Beschichtung der Fasern und/oder Partikel mit einer monomolekularen Lage des Haftvermittlers. Die hierzu benötigte Menge an Haftvermittler in Gramm kann durch Multiplizieren der Menge der eingesetzten Oxide, beziehungsweise der Fasern (in g) mit der spezifischen Oberfläche der Materialien (in m2g–1) und anschließendes Dividieren durch den spezifischen Platzbedarf der Haftvermittler (in m2g–1) erhalten werden, wobei der spezifische Platzbedarf häufig in der Größenordnung von 300 bis 400 m2g–1 liegt.To improve the adhesion of the inorganic components to polymer fibers as a substrate, it may be advantageous to add adhesion promoters, such as e.g. B. add organofunctional silanes. In particular, compounds selected from the octylsilanes, the vinylsilanes, the amine-functionalized silanes and / or the glycidyl-functionalized silanes, such as, for. B. the Dynasilane from Degussa can be used. Particularly preferred adhesion promoters for polymer fibers, such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), are vinyl, methyl and octylsilanes, the exclusive use of methylsilanes not being optimal; for polyamides and polyamines, it is amine-functional silanes, for polyacrylates and polyesters Glycidyl-functionalized silanes and glycidyl-functionalized silanes can also be used for polyacrylonitrile. Other adhesion promoters can also be used, but these have to be matched to the respective polymers. The adhesion promoters are advantageously selected such that the solidification temperature is below the melting or softening point of the polymer used as the substrate and below its decomposition temperature. Dispersions according to the invention preferably have very much less than 25% by weight, preferably less than 10% by weight, of compounds which can act as adhesion promoters. An optimal proportion of adhesion promoter results from the coating of the fibers and / or particles with a monomolecular layer of the adhesion promoter. The amount of adhesion promoter required in grams can be obtained by multiplying the amount of oxides or fibers used (in g) by the specific surface area of the materials (in m 2 g –1 ) and then dividing by the specific space requirement of the adhesion promoter (in m 2 g -1 ) are obtained, the specific space requirement often being in the order of 300 to 400 m 2 g -1 .
Die nachfolgende Tabelle 2 enthält einen beispielhaften Überblick über einsetzbare Haftvermittler auf Basis von organofunktionellen Si-Verbindungen für typische als Vliesmaterial verwendete Polymere.Table 2 below contains one exemplary overview of usable Adhesion promoter based on organofunctional Si compounds for typical Polymers used as nonwoven material.
Tabelle 2 Table 2
Mit:
AMEO = 3-Aminopropyltriethoxysilan
DAMO
= 2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilan
GLYMO = 3-Glycidyloxytrimethoxysilan
MEMO
= 3-methacryloxypropyltrimethoxysilan
Silfin = Vinylsilan +
Initiator + Katalysator
VTEO = Vinyltriethoxysilan
VTMO
= Vinyltrimethoxysilan
VTMOEO = Vinyltris(2-methoxyethoxy)silanWith:
AMEO = 3-aminopropyltriethoxysilane
DAMO = 2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane
GLYMO = 3-glycidyloxytrimethoxysilane
MEMO = 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane
Silfin = vinylsilane + initiator + catalyst
VTEO = vinyl triethoxysilane
VTMO = vinyl trimethoxysilane
VTMOEO = vinyl tris (2-methoxyethoxy) silane
In einer besonderen Ausführungsform werden die oben genannten Haftvermittler in einem vorgeschalteten Schritt auf ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat, wie z.B. ein Polymervlies aufgebracht. Hierzu werden die Haftvermittler in einem geeigneten Lösemittel, wie z. B. Ethanol gelöst. Diese Lösung kann auch noch eine geringe Menge an Wasser, vorzugsweise die 0,5 bis 10fache Menge bezogen auf die molare Menge der hydrolysierbaren Gruppe, und kleine Mengen einer Säure, wie z. B. HCl oder HNO3, als Katalysator für die Hydrolyse und Kondensation der Si-OR-Gruppen enthalten. Durch die bekannten Techniken, wie z. B. Aufsprühen, Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen wird diese Lösung auf den Träger oder das Substrat aufgebracht und der Haftvermittler durch eine Temperaturbehandlung bei 50 bis maximal 350 °C auf dem Träger oder Substrat fixiert. Erst nach dem Aufbringen des Haftvermittlers erfolgt bei dieser Ausführungsvariante Verfahrens das Aufbringen und Verfestigen der Dispersion.In a particular embodiment, the abovementioned adhesion promoters are applied in a preceding step to a flat, flexible substrate, such as a polymer fleece, which is provided with a multiplicity of openings. For this purpose, the adhesion promoter in a suitable solvent, such as. B. dissolved ethanol. This solution can also contain a small amount of water, preferably 0.5 to 10 times the amount based on the molar amount of the hydrolyzable group, and small amounts of an acid, such as. B. HCl or HNO 3 , as a catalyst for the hydrolysis and condensation of the Si-OR groups. By the known techniques such. B. spraying, printing, pressing, pressing, rolling, knife coating, spreading, dipping, spraying or pouring, this solution is applied to the carrier or the substrate and the adhesion promoter is fixed by a temperature treatment at 50 to a maximum of 350 ° C. on the carrier or substrate. In this embodiment variant, the dispersion is applied and solidified only after the adhesion promoter has been applied.
Durch das Aufbringen eines Haftvermittlers vor dem eigentlichen Aufbringen der Dispersion kann das Haftverhalten der flexiblen Träger bzw. Substrate insbesondere gegenüber wässrigen, partikulären Solen verbessert werden, weshalb insbesondere so vorbehandelte Träger bzw. Substrate mit Suspensionen oder Dispersionen auf Basis von handelsüblichen Solen, wie z. B. Zirkonnitratsol oder Silicasol beschichtet werden können. Diese Vorgehensweise des Aufbringens eines Haftvermittlers bedeutet aber auch, dass das Herstellverfahren der erfindungsgemäßen Separatoren um einen Zwischen- bzw. Vorbehandlungsschritt erweitert werden muss. Dies ist machbar allerdings auch aufwändiger als die Verwendung von angepassten Solen denen Haftvermittler beigegeben wurden, hat aber auch den Vorteil, dass auch beim Einsatz von Dispersionen auf Basis von handelsüblichen Solen bessere Ergebnisse erzielt werden.By applying an adhesion promoter before the actual application of the dispersion, the adhesion behavior the flexible carrier or substrates in particular with respect to aqueous, particulate sols be improved, which is why so pretreated carriers or Substrates with suspensions or dispersions based on commercially available Soles such as B. zirconium nitrate sol or silica sol can be coated. This How to apply an adhesion promoter means also that the manufacturing process of the separators according to the invention must be expanded by an intermediate or pre-treatment step. This is feasible, however, more complex than using adapted sols to which adhesion promoters have been added, however also the advantage that even when using dispersions based on of commercially available Should better results be achieved.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen werden durch Verfestigen der Dispersion in und auf das Substrat gebracht. Erfindungsgemäß kann die auf und in dem Substrat vorhandene Dispersion durch Erwärmen auf 50 bis 350 °C verfestigt werden. Da bei der Verwendung polymerer Substratmaterialien die maximale Temperatur durch das Polymervlies vorgegeben wird, ist diese entsprechend anzupassen. So wird je nach Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens die auf und in einem Substrat vorhandene Dispersion durch Erwärmen auf 100 bis 350 °C und ganz besonders bevorzugt durch Erwärmen auf 110 bis 280 °C verfestigt. Es kann vorteilhaft sein, wenn das Erwärmen für 1 Sekunde bis 60 Minuten bei einer Temperatur von 100 bis 350 °C erfolgt. Besonders bevorzugt erfolgt das Erwärmen der Dispersion zum Verfestigen auf eine Temperatur von 110 bis 300 °C, ganz besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 110 bis 280 °C und vorzugsweise für 0,5 bis 10 min.The coatings according to the invention are made by Solidifying the dispersion brought in and on the substrate. According to the dispersion on and in the substrate by heating on 50 to 350 ° C be solidified. Because when using polymeric substrate materials the maximum temperature is determined by the polymer fleece, it must be adjusted accordingly. Depending on the design variant of the method according to the invention the dispersion present on and in a substrate by heating up 100 to 350 ° C and very particularly preferably solidified by heating to 110 to 280 ° C. It can be beneficial if heating for 1 second to 60 minutes at a temperature of 100 to 350 ° C. Particularly preferred the heating takes place the dispersion for solidification to a temperature of 110 to 300 ° C, very special preferably at a temperature of 110 to 280 ° C and preferably for 0.5 to 10 min.
Das Erwärmen des Verbundes kann mittels erwärmter Luft, Heißluft, Infrarotstrahlung oder durch andere Erwärmungsmethoden nach dem Stand der Technik erfolgen.The composite can be heated by means of heated Air, hot air, Infrared radiation or by other heating methods according to the state the technology.
Das Verfahren zum Aufbringen einer dünnen Schicht auf und in das Substrat bzw. die Kontaktierung eines porösen eine anorganische Beschichtung aufweisenden Trägers mit einem Gemisch kann z. B. so durchgeführt werden, dass das flexible Substrat, z.B. ein Polymervlies, bzw. der poröse eine anorganische Beschichtung aufweisende Träger von einer Rolle abgerollt wird, mit einer Geschwindigkeit von 1 m/h bis 2 m/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min. bis 20 m/min und ganz besonders bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min bis 5 m/min durch zumindest eine Apparatur, welche die Dispersion bzw. das Gemisch auf und in das Substrat bzw. den Träger bringt, wie z. B. eine Walze, und zumindest eine weitere Apparatur, welche das Verfestigen der Dispersion auf und in dem Träger durch Erwärmen ermöglicht, wie z. B. ein elektrisch beheizter Ofen durchläuft und das so hergestellte Produkt auf einer zweiten Rolle aufgerollt wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein erfindungsgemäßes Separatorvorprodukt bzw. einen Separator im Durchlaufverfahren zu schaffen. Auch die Vorbehandlungsschritte können im Durchlaufverfahren unter Beibehaltung der genannten Parameter durchgeführt werden.The procedure for applying a thin Layer on and in the substrate or the contacting of a porous one can have inorganic coating carrier with a mixture z. B. done so that the flexible substrate, e.g. a polymer fleece, or the porous a carrier having an inorganic coating is unrolled from a roll is preferably at a speed of 1 m / h to 2 m / s at a speed of 0.5 m / min. up to 20 m / min and very special preferably at a speed of 1 m / min to 5 m / min at least one apparatus, which the dispersion or the mixture brings on and in the substrate or the carrier, such as. Legs Roller, and at least one other apparatus that solidifies the dispersion on and in the carrier by heating allows such as B. passes through an electrically heated oven and the so produced Product is rolled up on a second roll. In this way Is it possible, a separator intermediate according to the invention or to create a separator in a continuous process. Also the Pretreatment steps can in a continuous process while maintaining the parameters mentioned carried out become.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Verfahren so durchgeführt wird, dass das flächige, eine Vielzahl von Öffnungen aufweisende, flexible Substrat, insbesondere ein Polymervlies, während des Beschichtungsprozesses eine maximale Spannung in Längsrichtung von 10 N/cm, vorzugsweise von 3 N/cm aufweist. Unter Beschichtungsprozess werden dabei alle Verfahrenschritte verstanden, bei denen ein Material auf und in ein flexibles Substrat gebracht wird und dort einer Wärmebehandlung unterworfen wird, also auch das Aufbringen des Haftvermittlers. Vorzugsweise wird das Substrat während Beschichtungsprozesses mit einer maximalen Kraft von 0,01 N/cm gespannt. Besonders bevorzugt kann es sein, wenn der das Substrat während des Behandlungsprozesses bzw. des Beschichtungsprozesses in Längsrichtung ungespannt geführt wird.It has proven to be particularly beneficial proven if the method is carried out so that the flat, one Variety of openings having, flexible substrate, in particular a polymer fleece, during the Coating process a maximum tension in the longitudinal direction of 10 N / cm, preferably of 3 N / cm. Under coating process all process steps are understood in which a material is brought on and into a flexible substrate and there a heat treatment is subject, so also the application of the adhesion promoter. Preferably the substrate is used during Coating process with a maximum force of 0.01 N / cm. It can be particularly preferred if the substrate during the Treatment process or the coating process in the longitudinal direction is carried out untensioned.
Durch die Kontrolle der Zugspannung während der Beschichtung kann vermieden werden, dass eine Deformation (auch elastische) des Substratmaterials stattfindet. Durch eine evtl. Deformation (Dehnung) bei zu hoher Zugspannung kann die keramische Beschichtung dem Substrat-Werkstoff nicht folgen, was dazu führt, das die Beschichtung sich auf der gesamten Fläche vom Substrat löst. Das daraus resultierende Produkt kann dann nicht bestimmungsgemäß verwendet werden.By checking the tensile stress during the coating, it can be avoided that the substrate material is deformed (also elastic). Due to a possible deformation (elongation) when the tensile stress is too high, the ceramic coating cannot follow the substrate material, which leads to the coating becoming detached from the substrate over the entire surface. The resulting product can then not be used as intended.
Soll der erfindungsgemäße Separator mit einem zusätzlichen automatischen Abschaltmechanismus ausgerüstet werden, so kann dies z. B. dadurch geschehen, dass nach dem Verfestigen der auf das Substrat aufgebrachten Dispersion eine Schicht aus Partikeln, die bei einer gewünschten Temperatur schmelzen und die Poren des Separators verschließen, so genannte Abschaltpartikeln, zur Erzeugung eines Abschaltmechanismus auf den Separator aufgebracht und fixiert wird. Die Schicht aus Abschaltpartikeln kann z. B. durch Aufbringen einer Suspension von Wachspartikeln mit einer mittleren Partikelgröße größer der mittleren Porengröße des Separators in einem Sol, Wasser, Lösemittel oder Lösemittelgemisch erzeugt werden.Should the separator according to the invention with an additional automatic shutdown mechanism can be equipped, so this can e.g. B. happen in that after solidifying the applied to the substrate Dispersion a layer of particles at a desired Melt temperature and close the pores of the separator, see above called shutdown particles to generate a shutdown mechanism is applied to the separator and fixed. The layer out Shutdown particles can e.g. B. by applying a suspension of Wax particles with an average particle size larger than the average pore size of the separator in a sol, water, solvent or solvent mixture be generated.
Die Suspension zur Aufbringung der Partikel enthält vorzugsweise von 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt von 5 bis 40 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 10 bis 30 Gew.-% an Abschaltpartikeln, insbesondere Wachspartikeln in der Suspension.The suspension for applying the Contains particles preferably from 1 to 50% by weight, preferably from 5 to 40% by weight and very particularly preferably from 10 to 30% by weight of shutdown particles, especially wax particles in the suspension.
Da die anorganische Beschichtung des Separators häufig einen sehr hydrophilen Charakter hat, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Beschichtung des Separators unter Verwendung eines Silans in einem polymeren Sol als Haftvermittler hergestellt wurden und somit hydrophobiert wurden. Um eine gute Haftung und gleichmäßige Verteilung der Abschaltpartikel in der Abschaltschicht auch auf hydrophilen porösen anorganischen Separatorschichten zu erreichen, sind mehrere Varianten möglich.Because the inorganic coating of the separator often has a very hydrophilic character, it has proven to be advantageous proven when using the coating of the separator a silane in a polymeric sol as an adhesion promoter were and thus were made hydrophobic. To have good liability and even distribution the shutdown particle in the shutdown layer also on hydrophilic porous There are several ways to achieve inorganic separator layers possible.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die poröse anorganische Schicht des Separators vor dem Aufbringen der Abschaltpartikel zu hydrophobieren. Die Herstellung hydrophober Membrane, die nach dem selben Prinzip funktioniert, wird beispielsweise in WO 99/62624 beschrieben. Vorzugsweise wird die poröse anorganische Beschichtung durch Behandlung mit Alkyl-, Aryl- oder Fluoralkylsilanen, wie sie z. B. unter dem Namen Markennamen Dynasilan von der Degussa vertrieben werden, hydrophobiert. Es können dabei z. B. die bekannten Methoden der Hydrophobierung, die unter anderem für Textilien angewendet werden (D. Knittel; E. Schollmeyer; Melliand Textilber. (1998) 79(5), 362–363), unter geringfügiger Änderung der Rezepturen, auch für die porösen Beschichtungen des Separators angewendet werden. Zu diesem Zweck wird die Beschichtung bzw. der Separator mit einer Lösung behandelt, die zumindest einen hydrophoben Stoff aufweist. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Lösung als Lösemittel Wasser, welches vorzugsweise mit einer Säure, vorzugsweise Essigsäure oder Salzsäure, auf einen pH-Wert von 1 bis 3 eingestellt wurde, und/oder einen Alkohol, vorzugsweise Ethanol, aufweist. Der Anteil an mit Säure behandeltem Wasser bzw. an Alkohol am Lösemittel kann jeweils von 0 bis 100 Vol.-% betragen. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Wasser am Lösemittel von 0 bis 60 Vol.-% und der Anteil an Alkohol von 40 bis 100 Vol.-%. In das Lösemittel werden zum Erstellen der Lösung 0,1 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% eines hydrophoben Stoffes gegeben werden. Als hydrophobe Stoffe können z. B. die oben aufgeführten Silane verwendet werden. Überraschenderweise findet eine gute Hydrophobierung nicht nur mit stark hydrophoben Verbindungen, wie zum Beispiel mit dem Triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-tridecafluoroctyl)silan statt, sondern eine Behandlung mit Methyltriethoxysilan oder i-Butyltriethoxysilan ist vollkommen ausreichend, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Die Lösungen werden, zur gleichmäßigen Verteilung der hydrophoben Stoffe in der Lösung, bei Raumtemperatur gerührt und anschließend auf die anorganische Beschichtung des Separators aufgebracht und getrocknet. Das Trocknen kann durch eine Behandlung bei Temperaturen von 25 bis 100 °C beschleunigt werden.In an embodiment variant of the method according to the invention it has proven advantageous to use the porous inorganic layer of the Separator to hydrophobize before applying the shutdown. The Production of hydrophobic membrane that works on the same principle is described for example in WO 99/62624. Preferably the porous inorganic coating by treatment with alkyl, aryl or Fluoroalkylsilanes such as z. B. under the name brand name Dynasilan distributed by Degussa, hydrophobic. You can do it z. B. the known methods of waterproofing, among others for textiles can be applied (D. Knittel; E. Schollmeyer; Melliand Textilber. (1998) 79 (5), 362-363), with minor change of the recipes, also for the porous Coatings of the separator are applied. To this end the coating or the separator is treated with a solution which has at least one hydrophobic substance. It can be beneficial be when the solution as a solvent Water, which is preferably mixed with an acid, preferably acetic acid or Hydrochloric acid, has been adjusted to a pH of 1 to 3, and / or one Alcohol, preferably ethanol. The proportion of acid treated Water or alcohol on the solvent can be from 0 to 100% by volume. The proportion is preferably of water on the solvent from 0 to 60 vol .-% and the proportion of alcohol from 40 to 100 vol .-%. In the solvent are going to build the solution 0.1 to 30 wt .-%, preferably 1 to 10 wt .-% of a hydrophobic Be given. As hydrophobic substances such. B. the silanes listed above be used. Surprisingly finds good hydrophobization not only with highly hydrophobic Compounds, such as with the triethoxy (3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-tridecafluorooctyl) silane instead, but a treatment with methyltriethoxysilane or i-butyltriethoxysilane is completely sufficient to achieve the desired effect. The solutions for even distribution the hydrophobic substances in the solution, stirred at room temperature and subsequently applied to the inorganic coating of the separator and dried. Drying can be done by treatment at temperatures from 25 to 100 ° C be accelerated.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren kann die poröse anorganische Beschichtung vor dem Aufbringen der Abschaltpartikel auch mit anderen Haftvermittlern behandelt werden. Die Behandlung mit einem der unten genannten Haftvermittler kann dann ebenfalls wie oben beschrieben erfolgen, d. h. dass die poröse anorganische Schicht mit einem polymeren Sol, welches ein Silan als Haftvermittler aufweist, behandelt wird.In a further variant of the method according to the invention can the porous inorganic coating before the shutdown particles are applied also be treated with other adhesion promoters. The treatment with one of the adhesion promoters mentioned below can then also as described above, d. H. that the porous inorganic Layer with a polymeric sol, which is a silane as an adhesion promoter has, is treated.
Die Schicht aus Abschaltpartikeln wird vorzugsweise durch Aufbringen einer Suspension von Abschaltpartikeln in einem Suspensionsmittel, ausgewählt aus einem Sol, Wasser oder Lösemittel, wie z. B. Alkohol, Ether oder Ketone, oder einem Lösemittelgemisch auf die anorganische Beschichtung des Separators und anschließendes Trocknen erzeugt. Die Partikelgröße der in der Suspension vorliegenden Abschaltpartikel ist prinzipiell beliebig. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn in der Suspension Abschaltpartikel mit einer mittleren Partikelgröße (DW) größer oder gleich, vorzugsweise größer der mittleren Porengröße der Poren der porösen anorganischen Schicht (dS) vorliegen, da so sichergestellt wird, dass die Poren der anorganischen Schicht bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Separators nicht durch Abschaltpartikel verstopft werden. Bevorzugt weisen die eingesetzten Abschaltpartikel eine mittlere Partikelgröße (DW) auf, die größer als der mittlere Porendurchmesser (dS) und kleiner 5 dS, besonders bevorzugt kleiner 2 dS beträgt.The layer of shutdown particles is preferably applied by applying a suspension of shutdown particles in a suspension medium selected from a sol, water or solvent, such as. B. alcohol, ether or ketones, or a solvent mixture on the inorganic coating of the separator and subsequent drying. In principle, the particle size of the shutdown particles present in the suspension is arbitrary. However, it is advantageous if shutdown particles with an average particle size (D W ) greater than or equal to, preferably greater than the average pore size of the pores of the porous inorganic layer (d S ) are present in the suspension, since this ensures that the pores of the inorganic layer in the manufacture of the separator according to the invention are not blocked by shutdown particles. The shutdown particles used preferably have an average particle size (D W ) which is greater than the average pore diameter (d S ) and less than 5 d S , particularly preferably less than 2 d S.
Sollte es gewünscht sein Abschaltpartikel einzusetzen, die eine Partikelgröße kleiner der Porengröße der Poren der porösen anorganischen Schicht aufweisen, so muss vermieden werden, dass die Partikel in die Poren der porösen anorganischen Separatorschicht eindringen. Gründe für den Einsatz solcher Partikel können z. B. in großen Preisunterschieden aber auch in der Verfügbarkeit solcher Partikel liegen. Eine Möglichkeit das Eindringen der Abschaltpartikel in die Poren der porösen anorganischen Schicht zu verhindern besteht darin, die Viskosität der Suspension so einzustellen, dass in Abwesenheit von äußeren Scherkräften kein Eindringen der Suspension in die Poren der anorganischen Schicht des Separators erfolgt. Eine solch hohe Viskosität der Suspension kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Suspension Hilfsstoffe, die das Fließverhalten beeinflussen, wie z.B. Kieselsäuren (Aerosil, Degussa) hinzugefügt werden. Beim Einsatz von Hilfsstoffen wie z.B. Aerosil 200 ist häufig ein Anteil von 0,1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 10 Gew.-% Kieselsäure, bezogen auf die Suspension, schon ausreichend um eine genügend hohe Viskosität der Suspension zu erzielen. Der Anteil an Hilfsstoffen kann jeweils durch einfache Vorversuche ermittelt werden.If it is desired to use shutdown particles that have a particle size smaller than the pore size of the pores of the porous inorganic layer, it must be avoided that the particles penetrate into the pores of the porous inorganic separator layer. Reasons for the use of such particles can e.g. B. in large price differences but also in the availability of such particles. One way to prevent the cut-off particles from penetrating into the pores of the porous inorganic layer is to adjust the viscosity of the suspension so that in the absence of external shear forces there is no on penetration of the suspension into the pores of the inorganic layer of the separator takes place. Such a high viscosity of the suspension can be achieved, for example, by adding auxiliaries which influence the flow behavior, such as, for example, silicas (Aerosil, Degussa) to the suspension. When auxiliaries such as Aerosil 200 are used, a proportion of 0.1 to 50% by weight, preferably 0.5 to 10% by weight, of silica, based on the suspension, is often sufficient to ensure a sufficiently high viscosity of the suspension achieve. The proportion of auxiliary substances can be determined by simple preliminary tests.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die eingesetzte Abschaltpartikel aufweisende Suspension Haftvermittler aufweist. Eine solche Haftvermittler aufweisende Suspension kann direkt auf eine anorganische Schicht des Separators aufgebracht werden, auch wenn diese nicht vor dem Aufbringen hydrophobiert wurde. Natürlich kann eine Haftvermittler aufweisende Suspension auch auf eine hydrophobierte Schicht oder auf eine Separatorschicht, bei deren Herstellung ein Haftvermittler eingesetzt wurde, aufgebracht werden. Als Haftvermittler in der Abschaltpartikel aufweisenden Suspension werden vorzugsweise Silane eingesetzt, die Amino-, Vinyl- oder Methacrylseitengruppen aufweisen. Solche Haftvermittler sind z. B. AMEO (3-Aminopropyltriethoxysilan), MEMO (3-Methacryloxypropyl trimethoxysilan), Silfin (Vinylsilan + Initiator + Katalysator), VTEO (Vinyltriethoxysilan) oder VTMO (Vinyltrimethoxysilan). Solche Silane sind z. B. von der Degussa auch in wässriger Lösung unter der Bezeichnung Dynasilan 2926, 2907 oder 2781 erhältlich. Ein Anteil von maximal 10 Gew.-% an Haftvermittler hat sich als ausreichend für die Sicherstellung einer genügend großen Haftung der Abschaltpartikel an der porösen anorganischen Schicht herausgestellt. Vorzugsweise weisen Haftvermittler aufweisende Suspensionen von Abschaltpartikeln von 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt von 1 bis 7,5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von 2,5 bis 5 Gew.-% an Haftvermittler bezogen auf die Suspension auf.It can be beneficial if the Has used suspension particles containing adhesion promoter. Such a suspension having an adhesion promoter can be applied directly an inorganic layer of the separator can be applied, too if it has not been made hydrophobic before application. Of course you can an adhesion promoter suspension also on a hydrophobized Layer or on a separator layer in the manufacture of a Adhesion promoter was used to be applied. As an adhesion promoter in of the suspension having shutdown particles are preferred Silanes used, the amino, vinyl or methacrylic side groups exhibit. Such adhesion promoters are e.g. B. AMEO (3-aminopropyltriethoxysilane), MEMO (3-methacryloxypropyl trimethoxysilane), silfin (vinylsilane + initiator + Catalyst), VTEO (vinyltriethoxysilane) or VTMO (vinyltrimethoxysilane). Such silanes are e.g. B. from Degussa also in aqueous Solution under the designation Dynasilan 2926, 2907 or 2781 available. A maximum of 10% by weight of adhesion promoter has proven to be enough for ensuring a sufficient huge Adhesion of the switch-off particles to the porous inorganic layer is highlighted. Adhesion promoters preferably have suspensions of Switch-off particles from 0.1 to 10% by weight, preferably from 1 to 7.5 % By weight and very particularly preferably from 2.5 to 5% by weight of adhesion promoter based on the suspension.
Als Abschaltpartikel können alle Partikel eingesetzt werden, die einen definierten Schmelzpunkt aufweisen. Das Material der Partikel wird dabei entsprechend der gewünschten Abschalttemperatur ausgewählt. Da bei den meisten Batterien relativ niedrige Abschalttemperaturen gewünscht werden, ist es vorteilhaft solche Abschaltpartikel einzusetzen, die ausgewählt sind aus Partikeln aus Polymeren, Polymermischungen, natürlichen und/oder künstlichen Wachsen. Besonders bevorzugt werden als Abschaltpartikel Partikel aus Polypropylen- oder Polyethylenwachs eingesetzt.All can be used as shutdown particles Particles are used that have a defined melting point. The material of the particles will be the desired one Switch-off temperature selected. There relatively low cut-off temperatures for most batteries required it is advantageous to use such shutdown particles the selected are made of particles of polymers, polymer mixtures, natural and / or artificial To grow. Particles are particularly preferred as shutdown particles made of polypropylene or polyethylene wax.
Das Aufbringen der die Abschaltpartikel aufweisenden Suspension kann durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen, Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen auf die poröse anorganische Schicht des Separators erfolgen. Die Abschaltschicht wird vorzugsweise dadurch erhalten, dass die aufgebrachte Suspension bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 100 °C, vorzugsweise von 40 bis 60 °C getrocknet wird.The application of the shutdown particles having suspension can by printing, pressing, pressing, Roll up, knife, spread, dip, spray or pour on the porous inorganic layer of the separator. The shutdown layer is preferably obtained in that the applied suspension dried at a temperature from room temperature to 100 ° C, preferably from 40 to 60 ° C becomes.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Abschaltpartikel nach dem Aufbringen auf die poröse anorganische Schicht durch zumindest einmaliges Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Glastemperatur, so dass ein Anschmelzen der Partikel ohne Änderung der eigentlichen Form erreicht wird, fixiert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Abschaltpartikel besonders gut an der porösen anorganischen Separatorschicht haften.It can be beneficial if the Switch-off particles after application to the porous inorganic layer heating at least once to a temperature above the glass temperature so that it melts the particle with no change the actual shape is achieved, fixed. That way achieved that the shutdown particles particularly well on the porous inorganic separator layer stick.
Das Aufbringen der die Abschaltpartikel aufweisenden Suspension mit anschließendem Trocknen sowie ein eventuelles Erwärmen über die Glasübergangstemperatur kann kontinuierlich oder quasi kontinuierlich durchgeführt werden. Wird eine flexibler Separator als Ausgangsmaterial eingesetzt, so kann diese wiederum von einer Rolle abgewickelt, durch eine Beschichtungs-, Trocknungs- und gegebenenfalls Erwärmungsapparatur geführt und anschließend wieder aufgerollt werden.The application of the shutdown particles having suspension with subsequent drying and a possible Warming over the Glass transition temperature can be carried out continuously or quasi continuously. If a flexible separator is used as the starting material, then can in turn be unwound from a roll by a coating, Drying and possibly heating apparatus performed and subsequently be rolled up again.
Unter einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Lithium-Batterie, Lithiumionen-Batterie oder eine Lithium-Polymer-Batterie, bereitgestellt, wobei die Zelle einen der oben beschriebenen Separatoren mit niedrigem Wassergehalt umfasst.From another point of view The invention is an electrochemical cell, in particular a Lithium battery, lithium ion battery or a lithium polymer battery, provided, the cell being one of the separators described above with low water content.
Der Elektrolyt, der in einer solchen elektrochemischen Zelle eingesetzt wird, kann jeder übliche in elektrochemischen Zellen einsetzbare Elektrolyt sein. Als Beispiele können Lösungen eines löslichen Lithiumsalzes in einem oder mehreren organischen Lösemitteln, wie zum Beispiel Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC-DMC) genannt werden. Andere geeignete nicht wässerige Lösemittel schließen zum Beispiel γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, 1,2-Dimethoxyethan, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Diethoxyethan, Dioxolan und Methylfomiat ein. Geeignete lösliche Lithiumsalze sind die üblicherweise verwendeten. Als Beispiele können LiPF6, LiAsF6, LiBF4, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3 und LiN(C2F5SO2)3 genannt werden, wobei LiPF6 besonders bevorzugt ist.The electrolyte which is used in such an electrochemical cell can be any conventional electrolyte which can be used in electrochemical cells. Solutions of a soluble lithium salt in one or more organic solvents, such as, for example, ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC-DMC) can be mentioned as examples. Other suitable non-aqueous solvents include, for example, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, propylene carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethoxyethane, dioxolane and methyl formate. Suitable soluble lithium salts are those commonly used. Examples include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 3 and LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , with LiPF 6 being particularly preferred.
Ferner wird erfindungsgemäß die Verwendung eines der oben beschriebenen Separatoren mit niedrigem Wassergehalt zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Lithium-Batterie, Lithiumionen-Batterie oder einer Lithium-Polymer-Batterie, bereitgestellt, jeweils bevorzugt für Hochstrom- oder Hochleistungsanwendungen.Furthermore, the use according to the invention one of the separators with low water content described above for the production of an electrochemical cell, in particular one Lithium battery, lithium ion battery or a lithium polymer battery, provided, each preferred for high current or high performance applications.
Vorzugsweise ist die elektrochemische Zelle wiederaufladbar.It is preferably electrochemical Cell rechargeable.
Unter der Porosität ist die Porosität zu verstehen, die nach der bekannten Methode der Quecksilber-Porosimetrie bestimmt werden kann mit einem Porosimeter 4000 von Carlo Erba Instruments. Der Quecksilber-Porosimetrie liegt die Washburn-Gleichung zu Grunde (E. W. Washburn, "Note on a Method of Determining the Distribution of Pore Sizes in a Porous Material", Proc. Natl. Acad. Sci., 7, 115–16 (1921)).The porosity is to be understood as the porosity that can be determined using the known mercury porosimetry method with a Porosimeter 4000 from Carlo Erba Instruments. Mercury porosimetry is based on the Washburn equation (EW Washburn, "Note on a Method of Determi ning the Distribution of Pore Sizes in a Porous Material ", Proc. Natl. Acad. Sci., 7, 115-16 (1921)).
Die Bestimmung des Wassergehaltes der Separatoren wird auf folgende Weise durchgeführt: Eine genau ausgewogene Probe eines Separators wird in einem dicht verschlossenen Probengefäß auf 180°C erwärmt. Die dabei freigesetzte Menge an Wasser wird kontinuierlich über einen Zeitraum von mehr als 2 Stunden mit einem trockenen Stickstoffstrom in eine (zuvor) wasserfreie Lösung überführt und dort nach der Methode von Karl Fischer (s. E. Eberius: Wasserbestimmung mit Karl-Fischer-Lösung, 3. Aufl., Verlag Chemie, Weinheim 1968) bestimmt.The determination of the water content The separators are carried out in the following way: A precisely balanced one Sample from a separator is heated to 180 ° C in a tightly closed sample vessel. The released amount of water is continuously over a Period of more than 2 hours with a dry stream of nitrogen transferred to a (previously) anhydrous solution and there according to the method of Karl Fischer (see E. Eberius: water determination with Karl Fischer solution, 3rd edition, Verlag Chemie, Weinheim 1968).
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Beispielen, Test- und Referenzbeispielen beschrieben.The present invention will now described below using examples, test and reference examples.
Beispiele, Test- und ReferenzbeispieleExamples, test and reference examples
Referenzbeispiel 1: Herstellung eines S450PET SeparatorsReference Example 1: Manufacturing an S450PET separator
Zu 130 g Wasser und 15 g Ethanol werden zunächst 30 g einer 5 Gew.-%igen, wässerigen HNO3 Lösung, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden gerührt wurde, werden dann jeweils 125 g der Aluminiumoxide Martoxid MZS-1 und Martoxid MZS-3 suspendiert. Dieser Schlicker (Suspension oder Dispersion) wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt.30 g of a 5% strength by weight aqueous HNO 3 solution, 10 g of tetraethoxysilane, 2.5 g of methyltriethoxysilane and 7.5 g of Dynasilane GLYMO are first added to 130 g of water and 15 g of ethanol. 125 g of the aluminum oxides Martoxid MZS-1 and Martoxid MZS-3 are then suspended in this sol, which was initially stirred for a few hours. This slip (suspension or dispersion) is homogenized for at least a further 24 h using a magnetic stirrer, the stirring vessel having to be covered so that there is no loss of solvent.
Ein 56 cm breites PET-Vlies mit einer Dicke von ca. 13 μm und einem Flachengewicht von etwa 6 g/m2 wird dann in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 30 m/h, T = 210°C) mit obigem Schlicker beschichtet. Man erhalt am Ende einen Separator mit einer mittleren Porenweite von 450 nm, der eine sehr gute Haftfestigkeit und eine Dicke von ca. 30 μm aufwies. Der Wassergehalt im Separator betragt etwa 0,28 Gew.-%.A 56 cm wide PET fleece with a thickness of approx. 13 μm and a basis weight of approx. 6 g / m 2 is then coated with the above slip in a continuous rolling process (belt speed approx. 30 m / h, T = 210 ° C.) , At the end, a separator with an average pore size of 450 nm was obtained, which had very good adhesive strength and a thickness of approx. 30 μm. The water content in the separator is about 0.28% by weight.
Referenzbeispiel 2: Herstellung eines S800PET SeparatorsReference Example 2: Manufacturing an S800PET separator
Zu 130 g Wasser und 15 g Ethanol werden zunächst 30 g einer 5 Gew.-%igen, wässerigen HCl-Lösung, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden gerührt wurde, werden dann 280 g des Aluminiumoxids AlCoA CT800 SG suspendiert. Dieser Schlicker (Suspension oder Dispersion) wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt.To 130 g of water and 15 g of ethanol be first 30 g of a 5 wt .-%, aqueous HCl solution, 10 g tetraethoxysilane, 2.5 g methyltriethoxysilane and 7.5 g dynasilane Given GLYMO. In this sol, which was initially stirred for a few hours, 280 g of the aluminum oxide AlCoA CT800 SG are then suspended. This slip (suspension or dispersion) is used for at least another 24 h with a magnetic stirrer homogenized, covering the mixing vessel must be avoided so that there is no loss of solvent.
Ein 56 cm breites PET-Vlies mit einer Dicke von ca. 35m und einem Flächengewicht von etwa 18 g/m2 wird damit mit dem aus Referenzbispiel 1 bekannten kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwinidigkeit ca. 30 m/h, T = 200 °C) mit obigem Schlicker beschichtet. Man erhält auf diese Weise einen Separator mit einer mittleren Porenweite von 800 nm, der eine sehr gute Haftfestigkeit und eine Dicke von ca. 55 μm aufweist. Der Wassergehalt im Separator beträgt etwa 0,34 Gew.-%.A 56 cm wide PET fleece with a thickness of approx. 35 m and a weight per unit area of approx. 18 g / m 2 is thus made using the continuous rolling method known from reference example 1 (belt speed approx. 30 m / h, T = 200 ° C.) Coated above slip. This gives a separator with an average pore size of 800 nm, which has very good adhesive strength and a thickness of approx. 55 μm. The water content in the separator is about 0.34% by weight.
Testbeispiel 2: Lithium Batterie mit S450PET-Separator aus Referenzbeispiel 1Test example 2: lithium Battery with S450PET separator from reference example 1
Der in Referenzbeispiel 1 hergestellte S450PET-Separator wird in eine Li-Ionen-Zelle, bestehend aus einer Positiv-Masse aus LiCoO2, einer Negativ-Masse bestehend aus Graphit und einem Elektrolyten aus LiPF6 In Ethylencarbonat/ Dimethylcarbonat (EC/DMC), eingebaut [LiCoO2//S450PET, EC/DMC 1:1, 1 M LiPF6//Graphit]. Es wurde das Ladeverhalten dieser Batterie überprüft. Die Batterie zeigt nach mehr als 250 Zyklen nur einen geringen Abfall der Kapazität um wenige Prozentpunkte. Auch eine Erhöhung der Ladespannung von 4,1 auf 4,2 Volt im 200sten Ladezyklus schadet der Batterie nicht.The S450PET separator produced in reference example 1 is placed in a Li-ion cell, consisting of a positive mass made of LiCoO 2 , a negative mass consisting of graphite and an electrolyte made of LiPF 6. In ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC), built-in [LiCoO 2 // S450PET, EC / DMC 1: 1, 1 M LiPF 6 // graphite]. The charging behavior of this battery was checked. After more than 250 cycles, the battery shows only a slight decrease in capacity by a few percentage points. An increase in the charging voltage from 4.1 to 4.2 volts in the 200th charging cycle does not harm the battery.
Während des ersten Zyklus erwärmt sich die Batterie übermäßig stark und verbraucht deutlich mehr Strom als ihrer Nominalkapazität entspricht. Ab dem 5. Zyklus sind keine Besonderheiten mehr zu beobachten. Für eine Verwendung in einer Batterie scheidet dieser Separator aber aufgrund der Erwärmung aus.While of the first cycle warmed the battery becomes excessively strong and consumes significantly more electricity than its nominal capacity. No special features can be observed from the 5th cycle. For one use in a battery this separator is eliminated due to the heating.
Testbeispiel 2: Lithium Batterie mit S800PET-Separator aus Referenzbeispiel 2Test example 2: lithium Battery with S800PET separator from reference example 2
Der in Referenzbeispiel 2 hergestellte S800PET-Separator wird in eine Li-Ionen-Zelle, bestehend aus einer Positiv-Masse als LiCoO2, einer Negativ-Masse, bestehend aus Graphit und einem Elektrolyten aus LiPF6 in Ethylencarbonat/ Dimethylcarbonat (EC/DMC), eingebaut [LiCoO2//S800PET, EC/DMC 1:1, 1 M LiPF6// Graphit]. Es wird das Ladeverhalten dieser Batterie überprüft. Die Batterie zeigt nach mehr als 250 Zyklen nur einen geringen Abfall der Kapazität um wenige Prozentpunkte. Auch eine Erhöhung der Ladespannung von 4,1 auf 4,2 Volt im 200sten Ladezyklus schadet der Batterie nicht.The S800PET separator produced in reference example 2 is placed in a Li-ion cell consisting of a positive mass as LiCoO 2 , a negative mass consisting of graphite and an electrolyte made of LiPF 6 in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC) , installed [LiCoO 2 // S800PET, EC / DMC 1: 1, 1 M LiPF 6 // graphite]. The charging behavior of this battery is checked. After more than 250 cycles, the battery shows only a slight decrease in capacity by a few percentage points. An increase in the charging voltage from 4.1 to 4.2 volts in the 200th charging cycle does not harm the battery.
Während des ersten Zyklus erwärmt sich die Batterie übermäßig stark und verbraucht deutlich mehr Strom als ihrer Nominalkapazität entspricht. Ab dem 5. Zyklus sind keine Besonderheiten mehr zu beobachten. Für eine Verwendung in einer Batterie scheidet dieser Separator aber aufgrund der Erwärmung aus.While of the first cycle warmed the battery becomes excessively strong and consumes significantly more electricity than its nominal capacity. No special features can be observed from the 5th cycle. For one use in a battery this separator is eliminated due to the heating.
Herstellung erfindungsgemäßer SeparatorenManufacture of separators according to the invention
Beispiel 1: Herstellung eines S100PET Separators mit niedrigem WassergehaltExample 1: Production of a S100PET separator with low water content
Zu 145 g Wasser werden zunächst 30 g einer 5 Gew.-%igen, wässerigen HCl-Lösung, 1,5 g LiNO3, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden weiter gerührt wurde, werden dann 140 g des Aluminiumoxids AlCoA CT3000 suspendiert. Dieser Schlicker (Suspension oder Dispersion) wird für mindestem weitere 72 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Ruhrgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt.30 g of a 5% strength by weight aqueous HCl solution, 1.5 g of LiNO 3 , 10 g of tetraethoxysilane, 2.5 g of methyltriethoxysilane and 7.5 g of Dynasilane GLYMO are first added to 145 g of water. 140 g of the aluminum oxide AlCoA CT3000 are then suspended in this sol, which was initially stirred for a further few hours. This slurry (suspension or dispersion) is homogenized for at least another 72 h with a magnetic stirrer, whereby the Ruhr vessel must be covered so that there is no loss of solvent.
Ein 56 cm breites PET-Vlies mit einer Dicke von ca. 13 μm und einem Flächengewicht von etwa 6 g/m2 wird dann in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 30 m/h, l = 200 °C) mit obigem Schlicker beschichtet. Man erhält am Ende einen Separator mit einer mittleren Porenweite von 80 nm, der eine sehr gute Haftfestigkeit und eine Dicke von ca. 24 μm aufweist. Der Wassergehalt im Separator ist kleiner als 200 ppm.A 56 cm wide PET fleece with a thickness of approx. 13 μm and a weight per unit area of approx. 6 g / m 2 is then coated with the above slip in a continuous rolling process (belt speed approx. 30 m / h, l = 200 ° C.) , At the end, a separator with an average pore size of 80 nm is obtained, which has a very good adhesive strength and a thickness of approx. 24 μm. The water content in the separator is less than 200 ppm.
Beispiel 2: Herstellung eines S240PET Separators mit niedrigem WassergehaltExample 2: Production of a S240PET separator with low water content
Zu 140 g Wasser und 10 g Ethanol werden zunächst 30 g einer 5 Gew.-%igen, wässerigen HCl-Lösung, 2,8 g LiNO3 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden gerührt wurde, werden dann 265 g des Aluminiumoxids AICOA CT1200 SG suspendiert. Dieser Schlicker (Suspension oder Dispersion) wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt.30 g of a 5% strength by weight aqueous HCl solution, 2.8 g of LiNO 3, 10 g of tetraethoxysilane, 2.5 g of methyltriethoxysilane and 7.5 g of Dynasilane GLYMO are first added to 140 g of water and 10 g of ethanol. This sol, which was initially stirred for a few hours, is then used to suspend 265 g of the aluminum oxide AICOA CT1200 SG. This slip (suspension or dispersion) is homogenized for at least a further 24 h using a magnetic stirrer, the stirring vessel having to be covered so that there is no loss of solvent.
Ein 56 cm breites PET-Vlies mit einer Dicke von ca. 13 μm und einem Flächengewicht von etwa 6 g/m2 wird dann in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 30 m/h, T = 200 °C) mit obigem Schlicker beschichtet.A 56 cm wide PET fleece with a thickness of approx. 13 μm and a weight per unit area of approx. 6 g / m 2 is then coated with the above slip in a continuous rolling process (belt speed approx. 30 m / h, T = 200 ° C.) ,
Man erhält auf diese Weise einen Separator mit einer mittleren Porenweite von 240 nm, der eine sehr gute Haftfestigkeit und eine Dicke von ca. 27 μm aufweist. Der Wassergehalt im Separator ist kleiner als 200 ppm.A separator is obtained in this way with an average pore size of 240 nm, which has a very good adhesive strength and a thickness of approx. 27 μm having. The water content in the separator is less than 200 ppm.
Beispiel 3: Herstellung eines S450PET Separators mit niedrigem WassergehaltExample 3: Production an S450PET separator with low water content
Ein gemäß Referenzbeispiel 1 hergestellter wasserhaltiger S450PET Separator (0,28 Gew.-% Wassergehalt) wird in einem kontinuierlichen Imprägnierverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 30 m/h) mit einer 1 %-igen Lösung von LiNO3 in Wasser behandelt und danach bei 200°C im Vakuum getrocknet. Danach ist der Wassergehalt im Separator kleiner als 200 ppm.A water-containing S450PET separator (0.28% by weight water content) produced according to reference example 1 is treated in a continuous impregnation process (belt speed approx. 30 m / h) with a 1% solution of LiNO 3 in water and then at 200 ° C dried in vacuo. After that, the water content in the separator is less than 200 ppm.
Beispiel 4: Herstellung eines S800PET Separators mit niedrigem WassergehaltExample 4: Production a S800PET separator with low water content
Ein gemäß Referenzbeispiel 2 hergestellter wasserhaltiger S800PET Separator (0,34 Gew.-% Wassergehalt) wird in einem kontinuierlichen Imprägnierverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 30 m/h) mit einer Lösung von 0,1 mol Lithiumethylat in einem Liter Ethanol behandelt und danach bei 200°C im Vakuum getrocknet. Danach ist der Wassergehalt im Separator kleiner als 200 ppm.A manufactured according to reference example 2 water-containing S800PET separator (0.34% by weight water content) in a continuous impregnation process (Belt speed approx. 30 m / h) with a solution of 0.1 mol lithium ethylate treated in a liter of ethanol and then at 200 ° C in a vacuum dried. After that, the water content in the separator is less than 200 ppm.
Testbeispiel 3: Lithium Batterie mit dem erfindungsgemäßen S450PET-Separator mit niedrigem Wassergehalt aus Beispiel 3Test Example 3: Lithium Battery with the low S450PET separator according to the invention Water content from example 3
Der in Beispiel 3 hergestellte S450PET-Separator wird in eine Li-Ionen-Zelle, bestehend aus einer Positiv-Masse aus LiCoO2, einer Negativ-Masse bestehend aus Graphit und einem Elektrolyten aus LiPF6 in Ethylencarbonat/ Dimethylcarbonat (EC/DMC), eingebaut [LiCoO2//S450PET, EC/DMC 1:1, 1 M LiPF6//Graphit]. Es wird das Ladeverhalten dieser Batterie überprüft. Die Batterie zeigt nach mehr als 500 Zyklen nur einen geringen Abfall der Kapazität um wenige Prozentpunkte. Auch eine Erhöhung der Ladespannung von 4,1 auf 4,2 Volt im 450sten Ladezyklus schadet der Batterie nicht.The S450PET separator produced in Example 3 is placed in a Li-ion cell consisting of a positive mass made of LiCoO 2 , a negative mass consisting of graphite and an electrolyte made of LiPF 6 in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC / DMC). built-in [LiCoO 2 // S450PET, EC / DMC 1: 1, 1 M LiPF 6 // graphite]. The charging behavior of this battery is checked. After more than 500 cycles, the battery shows only a slight decrease in capacity by a few percentage points. Also an increase in the charging voltage from 4.1 to 4.2 Volt in the 450th charging cycle does not harm the battery.
Im Gegensatz zu den Testbeispielen 1 und 2 kommt es während des ersten Zyklus nicht zu einer übermäßigen Erwärmung der Batterie. Der Stromverbrauch im ersten Zyklus entspricht weitestgehend der Nominalkapazität der Zelle. Für eine Verwendung in einer Batterie ist dieser Separator also hervorragend geeignet.In contrast to the test examples 1 and 2 it occurs during of the first cycle does not cause excessive heating of the battery. The electricity consumption in the first cycle largely corresponds to the nominal capacity of the cell. For one This separator is excellent for use in a battery suitable.
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