DE102020130489A1

DE102020130489A1 - Separator für Lithium-Ionen-Zelle mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE102020130489A1
Application number: DE102020130489.7A
Authority: DE
Inventors: Fabian Menz; Olaf Böse; Daniel Becher
Original assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Current assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2022-05-19
Also published as: US20230420805A1; CN116601826A; WO2022106475A1; KR20230110532A; EP4229713A1; JP2023549253A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für Lithium-Ionen-Zellen mit verbesserter Wärmeleitung. Der Separator umfasst ein elektrisch isolierendes Trägermaterial und einen darin enthaltenen elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Füllstoff. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Lithium-Ionen-Zelle, die einen solchen Separator umfasst sowie auf ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl solcher Lithium-Ionen-Zellen. Auch die Verwendung des Separators in einer Lithium-Ionen-Zelle zur Verbesserung des Wärmetransportes während Lade- und Entladezyklen ist Teil der vorliegenden Erfindung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für eine Lithium-Ionen-Zelle mit verbesserter Wärmeleitung. Der Separator umfasst ein elektrisch isolierendes Trägermaterial und einen darin enthaltenen elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Füllstoff. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Lithium-Ionen-Zelle, die einen solchen Separator umfasst sowie auf ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl solcher Lithium-Ionen-Zellen. Auch die Verwendung des Separators in einer Lithium-Ionen-Zelle zur Verbesserung des Wärmetransportes während Lade- und Entladezyklen ist Teil der vorliegenden Erfindung.
Technischer Hintergrund und Stand der Technik
Lithium-Ionen-Zellen sind typischerweise aus vier Komponenten aufgebaut, nämlich einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyten und einem Separator. Obwohl der Separator nicht aktiv an den elektrochemischen Reaktionen in der Zelle beteiligt ist, erfüllt er wichtige Funktionen. Er ist aus einem elektrisch nichtleitenden Polymer gefertigt und stellt dadurch eine elektrisch isolierende Barriere zwischen Anode und Kathode dar. Darüber hinaus ist der Separator porös und ermöglicht einen Lithiumionenfluss zwischen den Elektroden. Somit ist der Separator eine Komponente, die für Betrieb und Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle wesentlich und nicht wegzudenken ist.
Neben den oben genannten Funktionen übernehmen moderne Separatoren auch zunehmend Aufgaben im Wärmemanagement der Batteriezellen.
In der EP 2 838 137 A1 wird beispielsweise ein Separator beschrieben, welcher Hitzeentwicklung entgegenwirkt und das Risiko eines thermischen Durchgehens der Lithium-Ionen-Zelle (des sogenannten „thermal runaways“) reduziert. Hierfür wird der Separator mehrschichtig ausgestaltet. Er umfasst mindestens eine Substratschicht auf Basis eines Polyolefins, eine Lage aus einer anorganischen Beschichtung und eine weitere Lage aus einer organischen Beschichtung, wobei sich die beiden Beschichtungen auf gegenüberliegenden Seiten der Substratschicht befinden. Die organische Beschichtung hat eine niedrige Schmelztemperatur und fängt dadurch bereits in einem frühen Stadium eines thermischen Ereignisses an zu fließen. So werden die Poren in dem Separator verschlossen und ein weiterer Lithiumionenaustausch zwischen den Elektroden wird verhindert. Die anorganische Beschichtung trägt zu einer erhöhten Formstabilität des Separators bei, um die Gefahr, dass der Separator bei erhöhten Temperaturen schrumpft und es zu einem Kurzschluss zwischen den Elektroden kommt, zu minimieren.
Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen mit einer einzelnen Polyolefin-Schicht zwischen Anode und Kathode, bietet ein derartiger Separator einen verbesserten Schutz vor dem Durchgehen der Zelle. Allerdings führt die Beschichtung des Separators auch dazu, dass es schon vorzeitig, bei lediglich moderat erhöhten Temperaturen zu einer Notabschaltung und irreversiblen strukturellen Änderungen kommt. Die Folge ist, dass die gesamte Batterie unbrauchbar wird.
Die EP 2 871 692 A1 schlägt ein ähnliches Konzept vor. Auch hier soll der Lithiumionenfluss im Falle eines in der Batterie einsetzenden thermischen Ereignisses durch einen leicht schmelzenden Separator gestoppt werden. Der leicht schmelzende Separator wird in der Stapelzelle - im Unterschied zu der EP 2 838 137 A1 - im Wechsel mit einem weiteren Separator eingesetzt, der ein mit anorganischem Material beschichtetes Substrat umfasst. Es wird erklärt, dass ein solcher Aufbau, der sich unterschiedlich beschaffener Separatoren bedient, im Falle einer nagelförmigen Penetration der Zelle zu einer besseren Wärmedissipation und einer geringeren Temperatur an der Zelloberfläche führen würde.
Ob sich der in der EP 2 871 692 A1 beschriebene Aufbau der Lithium-Ionen-Zelle auch in Situationen bewährt, in denen ein thermisches Ereignis nicht künstlich durch eine nagelförmige Penetration ausgelöst wird, bleibt unklar. Zudem besteht weiterhin die Problematik, dass sich die Batterie nach dem Auftreten erhöhter Temperaturen nicht mehr verwenden lässt.
Die US 2015/0111086 A1 offenbart ebenfalls einen Separator, der den Lithiumionenfluss zwischen den Elektroden ab einer Temperatur von 100°C angeblich unterbinden kann, ohne dabei seine Form zu verlieren. Der Separator enthält hier eine polymere Membran, die auf mindestens einer Seite beschichtet ist, wobei die Beschichtung ein keramisches Material und eine durch UV oder Elektronenstrahlen ausgehärtete Matrix umfasst.
Zusammenfassend zeigt sich, dass alle bekannten Lithium-Ionen-Zellen beschichtete Polymermembranen als Separatoren nutzen. Die Separatoren sind so ausgelegt, dass sie ab einer einer vorbestimmten Temperatur für Lithiumionen undurchlässig werden, aber durch anorganische Beschichtungen ihre makroskopische Form beibehalten. Die Wärmeleitungseigenschaften der Separatoren werden bei allen Ansätzen im Stand der Technik vernachlässigt und sind unzureichend und verbesserungswürdig.
Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung war es, einen Separator für eine Lithium-Ionen-Zelle bereitzustellen, der eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist und in dieser Weise die Funktionsfähigkeit der Batteriezelle bei moderat erhöhten Temperaturen möglichst lange aufrechterhalten kann. Ein weiteres Ziel bestand darin, vorteilhafte Verwendungen des Separators zu identifizieren. Darüber hinaus sollte eine Lithium-Ionen-Zelle und ein Batteriemodul mit verbessertem Wärmemanagement angegeben werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgaben werden durch den erfindungsgemäßen Separator mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs und durch die Lithium-Ionen-Zelle und das Batteriemodul, welche diesen Separator umfassen, gelöst.
Der erfindungsgemäße Separator umfasst ein elektrisch isolierendes, poröses Trägermaterial, welches einen elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden keramischen Füllstoff darin enthält, wobei der Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Boriden und Mischungen hiervon.
Durch die Verteilung von keramischem Material als Füllstoff in dem Trägermaterial hat der erfindungsgemäße Separator eine Wärmeleitfähigkeit, die über das gesamte Volumen einheitlich ist. Wärme kann besser dissipiert bzw. abgeleitet werden, so dass die Gefahr großer Hitzeentwicklung in der Nähe des Separators und eines darauffolgenden Separatordurchbruchs eingedämmt ist. Gleichzeitig erhöht der Zusatz der keramischen Füllstoffe auch die mechanische Festigkeit des Trägermaterials. Zudem wird die elektrische Isolationswirkung des Separators durch das Einbringen des keramischen Füllstoffes in das Trägermaterial nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus bleibt die elektrische Isolation des wärmeleitenden keramischen Materials auch nach dem möglichen Schmelzen des Trägermaterials im Falle eines Thermal Runaways bestehen. Dadurch wird ein direkter elektrischer Kontakt von positiver und negativer Elektrode auch im Falle eines Thermal Runaways verhindert und die Sicherheit der Zelle erhöht.
Der Füllstoff liegt bevorzugt partikelförmig in einer Schicht aus Trägermaterial vor. Die Partikel haben bevorzugt einen mittleren Durchmesser von 0,05 bis 5 µm, besonders bevorzugt von 0,08 bis 2 µm.
Vorzugsweise ist der Füllstoff homogen oder annähernd homogen in dem Trägermaterial verteilt. „Annähernd homogen“ bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Füllstoff-Konzentrationsprofil über die gesamte Dicke der Trägermaterialschicht stetig ist. Insbesondere soll der Füllstoff nicht nur in oberflächlichen Schichten des Separators enthalten sein. Eine zumindest annähernd homogene Verteilung des Füllstoffes in dem Trägermaterial kann dadurch erreicht werden, dass der Füllstoff dem Trägermaterial bzw. dem Ausgangsmaterial für die Herstellung des Trägermaterials in Pulverform zugesetzt wird und dass anschließend intensiv gemischt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der wärmeleitende keramische Füllstoff bei 20°C eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m·K, bevorzugt mindestens 60 W/m K, besonders bevorzugt mindestens 80 W/m K, insbesondere mindestens 90 W/m K auf.
Diese Wärmeleitfähigkeiten sind höher als die Wärmeleitfähigkeiten von Oxiden, die oft in konventionellen Separatoren als anorganisches Beschichtungsmaterial zur Erhöhung der Sicherheit zum Einsatz kommen. Aluminiumoxid (Al₂O₃) hat beispielsweise nur eine Wärmeleitfähigkeit von 25 W/m K. Die Wärmeleitfähigkeit von Magnesiumoxid (MgO) bleibt mit etwa 45 W/m K ebenfalls hinter den bevorzugten Wärmeleitfähigkeiten der keramischen Füllstoffe zurück.
Es ist besonders von Vorteil, wenn der Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid (SiC), Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AIN), Borcarbid (B₄C), Titandiborid (TiB₂), Calciumhexaborid (CaB₆), Zirkondiborid (ZrB₂) und Mischungen hiervon. Bornitrid ist besonders bevorzugt, da es mit 400 W/m K die höchste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auch Siliziumcarbid weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 125 W/m K auf.
Der Füllstoff kann in einem Anteil von 0,5-75 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Trägermaterials, in dem Separator enthalten sein. Besonders bevorzugt ist ein Gehalt von 5 bis 70 Gew.-%, insbesondere von 30 bis 60 Gew.-% an Füllstoff bezogen auf das Gewicht des Trägermaterials.
Neben den Füllstoffen, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Carbide, Nitride, Boride und Mischungen hiervon, können Additive in dem Trägermaterial enthalten sein. Beispielsweise können andere keramischen Materialien wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumoxid als Additive enthalten sein. Die Additive können u.a. zur Erhöhung der elektrischen Isolation im Falle eines Thermal Runways zugegeben werden. Bevorzugt beträgt der Anteil der weiteren Additive weniger als 10 Gew.-%, insbesondere weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Trägermaterials.
Bevorzugt umfasst das Trägermaterial zu mindestens 90 Gew.-%, bevorzugt zu mindestens 95 Gew.-%, ein Polymer. Insbesondere besteht das Trägermaterial aus einem Polymer. Das Polymer ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Fluorsilikonkautschuk, Silikonkautschuk, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen, Polyacrylnitiril, Polyetheretherketon und Blends hiervon.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Separator eine Dicke von 5 bis 60 µm aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Dicke von 7 bis 50 µm. Ganz besonders bevorzugt weist der Separator eine Dicke von 10 bis 30 µm, auf.
Das Trägermaterial liegt bevorzugt als Film, Membran, Vliesschicht oder Gewebeschicht vor. Diese Strukturen können in bekannter Art und Weise und ohne größeren Aufwand so gefertigt werden, dass sie eine gewisse Porosität haben. Die Porosität trägt zu der gewünschten Lithiumionendurchlässigkeit des Separators bei.
Ferner kann der Separator entweder einschichtig oder als Laminat aus mehreren Schichten ausgebildet sein. Aus Kostengründen und um Verfahrensschritte bei der Produktion einzusparen und die Herstellung dadurch zu vereinfachen, ist die einschichtige Ausführungsform des Separators bevorzugt.
Daher ist der erfindungsgemäße Separator in einer speziellen Ausführungsform eine Schicht aus einem polymeren Trägermaterial, in dem Füllstoffpartikel verteilt sind, wobei die Füllstoffpartikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Boriden und Mischungen hiervon und wobei der Gehalt an Füllstoffpartikeln 0,5-75 Gew.-%, besonders bevorzugt 5-70 Gew.-%, insbesondere von 30 bis 60 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des polymeren Trägermaterials beträgt.
Für den Fall, dass der Separator ein Laminat aus mehreren Schichten ist, können die Schichten alle dasselbe Trägermaterial oder unterschiedliche Trägermaterialien umfassen. Jedes Trägermaterial bzw. jede Schicht kann einen wärmeleitenden keramischen Füllstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Boriden und Mischungen hiervon ausgewählt ist.
Der Separator kann eine oder zwei funktionalisierte Oberflächen aufweisen. Die funktionalisierte Oberfläche kann durch Grafting, Beschichtung und/oder Plasmaverfahren erhalten werden. Bevorzugt trägt die funktionalisierte Oberfläche weiter zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit bei und/oder sie hat eine verstärkende Funktion und verbessert die Formstabilität und/oder die Benetzbarkeit des Separators.
In einer bevorzugten Variante weist der Separator eine elektrische Leitfähigkeit von maximal 10^-6 S·cm-1, bevorzugt maximal 10^-8 S·cm-1, auf. Diese geringen elektrischen Leitfähigkeiten verleihen dem Separator die Funktion als elektrischer Isolator und verhindern, dass bei dem Betrieb der Zelle es zu einem Kurzschluss zwischen den Elektroden kommt.
Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Separators ergibt sich in einer Lithium-Ionen-Zelle. Hier kann der erfindungsgemäße Separator zur Verbesserung des Wärmetransports während Lade- und Entladezyklen verwendet werden. Wärme kann durch den Separator effizienter zur Zelloberfläche transportiert werden. Von besonderem Vorteil ist die Verwendung des Separators in einer Lithium-Ionen-Zelle während eines Schnellladezyklus, bei dem in kurzer Zeit eine große Wärmemenge entsteht.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Lithium-Ionen-Zelle bereit, die mindestens einen Elektrolyten und ein Elektrodenpaar bestehend aus einer Kathode und einer Anode umfasst, wobei zwischen der Kathode und der Anode der oben beschriebene Separator angeordnet ist.
In der erfindungsgemäßen Zelle gibt der Separator die Wärme, die beim Normalbetrieb der Zelle entsteht, an die Oberfläche der Zelle ab und verhindert dadurch einen unerwünschten Hitzestau im Inneren der Zelle. Die Temperatur wird gleichmäßiger und effizienter verteilt und die thermische Anbindung des Zellkerns an das umgebende Zellgehäuse wird verbessert.
Eine solche Lithium-Ionen-Zelle ist langlebiger als vorbekannte Lithium-Ionen-Zellen aus dem Stand der Technik. Einerseits sinkt die Alterung der Zellen, da keine übermäßig erhöhten Temperaturen im Inneren der Zelle auftreten. Andererseits kommt es zu weniger vorzeitigen Ausfällen, da lokale Temperaturanstiege in der Zelle nicht unmittelbar zu irreversiblen strukturellen Änderungen in dem Separator führen.
Bevorzugt ist die Lithium-Ionen-Zelle ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen, Wickelzellen, Stapelzellen und Pouch-Zellen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Batteriemodul, welches eine Mehrzahl der oben beschriebenen Lithium-Ionen-Zellen umfasst.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren und Versuche näher erläutert, ohne die Erfindung darauf beschränken zu wollen.

1 zeigt die mittels Computersimulation ermittelten Temperaturprofile, die sich bei herkömmlichen Separatoren einstellen.
2 zeigt die die mittels Computersimulation ermittelten Temperaturprofile, die sich bei erfindungsgemäßen Separatoren mit verschiedenen Füllstoffgehalten einstellen und stellt diese einem Temperaturprofil, das sich bei einem nicht erfindungsgemäßen Separator einstellt, gegenüber.
3 zeigt die Korrelation der Wärmeleitfähigkeit mit dem Füllstoffgehalt.
4 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle.

Die im Stand der Technik bekannten Separatoren bestehen aus einer Polymermembran, z.B. einer Polyethylenmembran (1), oder aus einer mit einem anorganischen Material beschichteten Polymermembran. Als Beispiel für die mit anorganischem Material beschichteten Polymermembranen wurde bei den vorliegenden Untersuchungen eine beidseitig mit Aluminiumoxid beschichtete Polyethylenmembran (2) und eine beidseitig mit Bornitrid beschichtete Polyethylenmembran (3) gewählt.
Die Temperaturprofile, die sich über die oben genannten Separatoren (1)-(3) hinweg einstellen, wurden mittels Computersimulation berechnet. Bei diesen Simulationen wurden folgende Rahmenbedingungen gewählt:

- Dicke des Separators = 20 Mikrometer
- Dicke der Beschichtung (falls vorhanden) = 5 Mikrometer
- Partikelgröße des anorganischen Materials (Aluminiumoxid/Bornitrid) = 0,1 Mikrometer (entsprechend dem Durchmesser von als Kugeln angenommen Partikel)
- Wärmeleitfähigkeit Bornitrid = 400 W/mK
- Wärmeleitfähigkeit Aluminiumoxid = 25 W/mK
- Wärmeleitfähigkeit Polyethylen = 0,42 W/mK
- auf der linken Separatorseite wird mit einer Temperatur von 60°C bzw. 333,15 K geheizt.
- auf der rechten Separatorseite wird mit einer konstanten Kühlleistung von 0,01 W gekühlt.

Die Temperaturprofile, die sich im Gleichgewichtszustand über die herkömmlichen Separatoren (1)-(3) hinweg einstellen, sind in dem Diagramm in 1 aufgetragen. Es gilt dabei, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Separators zu einem kleinen Temperaturgradienten zwischen rechter und linker Seite des Separators führt.
Die Temperaturprofile über die Separatoren (1) und (2) zeigen einen sehr ähnlichen Temperaturverlauf von der linken Seite, d.h. bei einer Position von -20 µm für Separator (1) und einer Position von -25 µm für Separator (2), zur rechten Seite, d.h. bei einer Position von 0 µm für Separator (1) und einer Position von 5 µm für Separator (2). Eine beidseitige Beschichtung mit Aluminiumoxid führt daher nicht zu einer merklich verbesserten Wärmeleitfähigkeit des Separators. Der Temperaturverlauf, der sich bei dem Separator (3) einstellt, weicht geringfügig von den Temperaturprofilen über die Separatoren (1) und (2) ab. Die Temperaturdifferenz zwischen rechter und linker Seite bei Separator (3) ist etwas geringer als die Temperaturdifferenz bei den Separatoren (1) und (2).
Das Verhältnis zwischen den Temperaturprofilen deckt sich mit den Erwartungen: Aluminiumoxid ist aufgrund der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit nicht in der Lage, die akkumulierte Wärme besonders schnell an die Umgebung abzuführen. Bornitrid weist hingegen eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und trägt zu einer Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen der linken Seite des Separators (dem Inneren der Batteriezelle) und der rechten Seite des Separators (der Oberfläche der Batteriezelle) bei. Ein großer Effekt auf das Temperaturprofil ist jedoch auch bei dem beidseitig mit Bornitrid beschichteten Separator nicht zu beobachten.

Diese Situation kann deutlich verbessert werden, indem Bornitrid (BN) in das Polyethylen als Füllstoff eingebracht wird. Dies zeigt das Diagramm in 2, in dem die simulierten Temperaturprofile von erfindungsgemäßen Separatoren (4) bis (9) aufgetragen und einem Temperaturprofil eines nicht erfindungsgemäßen Separators ohne Füllstoff (1) gegenübergestellt sind. Die Separatoren weisen verschiedene Anteile an Füllstoff gemäß Tabelle 1 auf. Die Simulationsbedingungen wurden identisch wie bei den im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Simulationen gewählt. Tabelle 1

Separator	Anteil BN in Gew.-%	Simulierte Wärmeleitfähigkeit des Separators in W/m·K
(1)	0	0,42
(4)	5	0,60
(5)	20	0,70
(6)	30	0,95
(7)	40	1,41
(8)	50	2,56
(9)	60	5,77
(10)	70	15,22

Die Abhängigkeit der Separator-Wärmeleitfähigkeit von dem Gehalt an Füllstoff ist in 3 dargestellt. In diesem Diagramm geben die Punkte die simulierten Daten wieder. Zusätzlich ist eine Trendlinie eingezeichnet. Im Diagramm wird zusammen mit 2 ersichtlich, dass bereits geringe Zusätze an wärmeleitfähigen keramischen Material zum Separator eine Abnahme der Temperaturdifferenz über den Separator erwarten lassen. Trotz stark zunehmender Wärmeleitfähigkeit von 60% auf 70% Füllstoffgehalt, wird nur noch eine geringe Änderung in der Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten des Separators erreicht, da der Temperaturausgleich bereits ab 60% Feststoffgehalt nahezu vollständig ist.
4 zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle. Der Stack 10 besteht hier aus der positive Elektrode 12, der negativen Elektrode 13 und zwei Separatoren 11, die einen keramischen Füllstoff enthalten. Ein Separator ist als elektrisch isolierende Barriere zwischen den Elektroden angeordnet, während ein zweiter Separator eine Anbindung des Stacks 10 an das Zellgehäuse 20 darstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2838137 A1 [0004, 0006]
EP 2871692 A1 [0006, 0007]
US 2015/0111086 A1 [0008]

Claims

Separator für eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassend ein elektrisch isolierendes Trägermaterial, welches einen elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden keramischen Füllstoff darin enthält, wobei der Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Boriden und Mischungen hiervon.
Separator gemäß Anspruch 1, wobei der wärmeleitende keramische Füllstoff bei 20°C eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m·K, bevorzugt mindestens 60 W/m K, besonders bevorzugt mindestens 80 W/m K, insbesondere mindestens 90 W/m·K, aufweist.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Borcarbid, Titandiborid, Calciumhexaborid, Zirkondiborid und Mischungen hiervon.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff in einem Anteil von 0,5-75 Gew.-%, bevorzugt 5-70 Gew.-%, besonders bevorzugt 30-60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Trägermaterials, enthalten ist.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial zu mindestens 90 Gew.-%, bevorzugt zu mindestens 95 Gew.-%, ein Polymer umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Fluorsilikonkautschuk, Silikonkautschuk, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen, Polyacrylnitiril, Polyetheretherketon und Blends hiervon.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator eine Dicke von 5-60 µm, bevorzugt von 7-50 µm, besonders bevorzugt von 10-30 µm, aufweist.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial als Film, Membran, Vliesschicht oder als Gewebeschicht vorliegt.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator einschichtig oder als Laminat aus mehreren Schichten ausgebildet ist, wobei die Schichten dasselbe Trägermaterial oder unterschiedliche Trägermaterialien umfassen, welche jeweils einen wärmeleitenden keramischen Füllstoff enthalten, der aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Boriden und Mischungen hiervon ausgewählt ist.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator mindestens eine funktionalisierte Oberfläche aufweist, bevorzugt eine durch Grafting, Beschichtung und/oder Plasmaverfahren funktionalisierte Oberfläche.
Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator eine elektrische Leitfähigkeit von maximal 10^-6 S· cm^-1, bevorzugt maximal 10^-8 S · cm^-1, aufweist.
Lithium-Ionen-Zelle umfassend mindestens einen Elektrolyten, ein Elektrodenpaar bestehend aus einer Kathode und einer Anode, wobei zwischen der Kathode und der Anode ein Separator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
Lithium-Ionen-Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Lithium-Ionen-Zelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen, Wickelzellen, Stapelzellen und Pouch-Zellen.
Batteriemodul, umfassend eine Mehrzahl an Lithium-Ionen-Zellen nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12.
Verwendung eines Separators nach mindestens einem der Ansprüche 1-10 in einer Lithium-Ionen-Zelle zur Verbesserung des Wärmetransportes während Lade- und Entladezyklen.