EP2483951A1 - Elektrochemischer energiespeicher mit separator - Google Patents

Elektrochemischer energiespeicher mit separator

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Publication number
EP2483951A1
EP2483951A1 EP10760899A EP10760899A EP2483951A1 EP 2483951 A1 EP2483951 A1 EP 2483951A1 EP 10760899 A EP10760899 A EP 10760899A EP 10760899 A EP10760899 A EP 10760899A EP 2483951 A1 EP2483951 A1 EP 2483951A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separator
electrochemical energy
energy store
ion
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10760899A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Annette Heusser-Nieweg
Peter Terstappen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oxyphen GmbH Switzerland
Original Assignee
Oxyphen GmbH Switzerland
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Filing date
Publication date
Priority claimed from CH01522/09A external-priority patent/CH701975A1/de
Application filed by Oxyphen GmbH Switzerland filed Critical Oxyphen GmbH Switzerland
Publication of EP2483951A1 publication Critical patent/EP2483951A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/463—Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • H01M50/469—Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape tubular or cylindrical
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical energy storage device having a positively charged electrode, a negatively charged electrode, and a porous separator.
  • the porous formed separator serves to separate the positively charged electrode and the negatively charged electrode from each other.
  • Electrochemical energy stores can be generally divided into a first group of non-rechargeable primary batteries and a second group of rechargeable secondary batteries. Secondary batteries can be brought back into a state of charge after discharge, which largely corresponds to the original state of charge before discharge, so that a multiple conversion of chemical to electrical energy and back is possible.
  • Essential quality criteria of primary as well as secondary batteries are high energy density, good thermal stability and providing a constant voltage over the discharge period. Furthermore, preferred batteries do not have a so-called “memory effect", which means that they will not lose capacity even with multiple charge / discharge operations, and the raw materials used in the batteries should be sufficiently abundant in nature, which also makes these types of batteries are inexpensive to produce in the long term.
  • the mode of operation of batteries is based on an electrochemical redox reaction known to the person skilled in the art, wherein during the battery discharge at a positively charged electrode (cathode) reducing processes take place and at a negatively charged electrode (anode) oxidizing processes.
  • cathode positively charged electrode
  • anode anode
  • a separator is inserted in the battery. This is wetted with the electrolyte and has the particular task of preventing electrical short circuits within the battery, but at the same time it must be permeable to ions in order to ensure the electrochemical reactions can.
  • the separator thus represents an important element which significantly influences the properties of the battery.
  • the internal resistance, the charge capacity, the charge / discharge current and other electrical properties of the battery are largely determined by the separator.
  • the separator should be mechanically stable and have good ion permeability.
  • the requirements of batteries also include, in particular, a high power density in order to be able to provide a large amount of energy within a short time.
  • the power density is influenced in particular by the permeability of the separator.
  • the separator should therefore be designed so that it allows the largest possible amount of ions per unit time. Among other things, therefore, the thickness of the separator should be as small as possible.
  • the separator should be well wettable, stable in the long term with respect to the chemicals and solutions found in the battery, and be insensitive to temperature variations such as may occur in batteries.
  • the prior art mainly uses separators based on polyolefins. However, these have the disadvantage that they are sensitive to elevated temperatures and in particular to temperatures above 150 ° C. Thus, the melting temperature of polyolefins is relatively low, and such a separator formed has a low dimensional stability with respect to heating. This can cause short circuits within the battery, which in turn cause a rise in temperature. The battery is permanently damaged. Especially in the field of high-performance batteries or external short circuits occur, however, very strong internal heating can occur, which should be withstood by the separator so as not to irreversibly damage the battery.
  • EP 0 851 523 discloses a separator consisting of a polyethylene terephthalate (PET) nonwoven based film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • Other such purely PET-based separators are also described in US 2003/0190499 and US 2006/0019164.
  • a disadvantage of such separators affect the relatively large pores, which have an average diameter of 5 ⁇ to 15 ⁇ .
  • the scattering of the pore diameter is also large, which can form short-circuit currents, especially in the range of larger pores.
  • the separator does not have well-defined ion channels but a spongy texture.
  • PET-based separators are disclosed in JP 2005/293891 and CN 2009/69179.
  • EP 2 077 594 and US 2003/0190499 disclose separators in which a PET-based nonwoven with an organic polymer such as polyvinylidene fluoride (PVdF ) is coated.
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • US 2006/0019164 describes a PET separator with a ceramic coating. Disadvantages, however, in particular affect the depth filter structure in these separators and, in the case of ceramics, also the brittleness and complicated production.
  • the present invention thus provides an electrochemical energy store with a separator, which has the following features:
  • the separator separates the positively charged electrode and the negatively charged electrode from each other and is porous.
  • the separator also has at least one microporous film in which ion channels are formed, which are produced inter alia by means of irradiation of ions.
  • the ion channels are each at different angles to each other.
  • the electrochemical energy storage can be a primary battery or act a secondary battery. It may be any type of battery within these two groups, in which case in particular the positively charged electrode and the negatively charged electrode and the electrolyte are then formed from a corresponding material.
  • a lithium battery would be conceivable.
  • the electrochemical energy storage device may include battery types such as a lead acid battery, a lead gel battery, a sodium sulfur battery, a nickel lithium battery, a lithium iron phosphate battery, a lithium titanate battery, or a lithium - Air battery.
  • the electrochemical energy store is particularly preferably a lithium-ion battery in which the positively charged electrode has a lithium-containing metal oxide and the negatively charged electrode is suitable for receiving and emitting lithium ions.
  • the production of the microporous film by means of irradiation with ions is particularly advantageous because it makes it possible to form well-defined ion channels.
  • the ion irradiation thus causes the formation of the ion channels.
  • the microporous film can thus be prepared in addition to the irradiation of ions by further process steps, which are microscopically recognizable in the finished film, in particular by a subsequent chemical etching. By such etching, molecular chains which have been split by ion irradiation can be ablated to fully form pores. Further and alternative further treatment steps are possible.
  • a separator according to the invention allows passage of ions on a direct, resistance-free path.
  • Such a separator can thus at the same time have a relatively small porosity and nevertheless very good ion permeability. He is therefore relatively stable mechanically.
  • the good ion permeability of the separator significantly improves the electrical properties of the battery, and the mechanical stability of the separator in particular facilitates the production of the battery.
  • the separator may in particular comprise a single microporous film. Furthermore he can be formed from this alone.
  • the microporous film is preferably produced at least partially from polyethylene terephthalate (PET) and in particular exclusively from polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • the separator thus has a resistance over a very wide temperature range.
  • the melting point of such a PET separator is 220 ° C, and the separator can be operated in a range of -40 ° C to 180 ° C without changing its structure. This allows, for example, to operate the battery even at high power.
  • PET is well wettable with an electrolyte and has good processing properties.
  • the pores of the microporous film are each formed as substantially cylindrical ion channels.
  • substantially it is meant that the diameter of the ion channels may vary slightly along their length: the cylindrical shape of the ion channels may be tube-like or tubular, with different ion channels also being able to intersect, with a vast majority of the pores however, a clearly defined, tubular ionic channel can be seen which has at least a considerable length which is unbranched and is not cut by another ionic channel Such a pore structure is optimal since the cross-sectional area of the pores is very accurately determinable and the path for the ions through the separator is direct and without resistance.
  • the ion channels are each at different angles to each other.
  • the ion channels each extend in a random manner in mutually different spatial directions.
  • the ion channels are each not only along one dimension, but along two dimensions, each extending parallel to the film surface, at different angles to each other.
  • the various ion channels are thus advantageously each skewed in space.
  • the average pore diameter of the separator thus has a significantly smaller scattering, in particular with a high pore density.
  • the probability of occurrence of parallel ion channels, which have partially overlapping cross-sectional areas and thereby together form a too wide pore, is considerably reduced.
  • an embodiment in which the angle between the surface of the separator film and the ion channels is at least 45 ° in each case is advantageous.
  • the length of the ion channels is limited by this.
  • at least 50% of the ion channels preferably have an angle to the surface of the separator film of less than 70 °. This ensures that the angles of the ion channels to the surface of the film differ sufficiently from one ion channel to the next.
  • the ion channels can each have an opening on both sides of the separator, which widens outwards, microscopically recognizable.
  • the openings widen conically outwards, whereby a single ion channel can be described as double conical, and as a whole it has a kind of "hourglass shape.” The entry of the ions into the ion channel is thereby facilitated, whereby both the properties of the ion channel Charging and unloading be favored.
  • the separator preferably has a thickness of 12 ⁇ to 36 ⁇ on.
  • the separator may have a modification of the surface which improves the wettability with liquids. This can be a chemical or a physical modification. In particular, it may also be a coating of the surface with another material, which has improved properties in terms of wettability.
  • the porosity of the separator is less than 30%.
  • the mechanical and chemical stability is improved.
  • the present invention also provides a separator for use in a to electrochemical energy storage, wherein the separator is configured as described above, in particular it is formed porous. Furthermore, according to the invention, the use of a microporous film as a separator for an electrochemical energy storage claimed.
  • FIG. 1 is a perspective view of a cut-for illustration purposes, inventive battery according to a first embodiment.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the polymer structure of a separator, such as the battery of Fig. 1, prior to ion irradiation;
  • Fig. 3 is a schematic representation of the polymer structure of a separator such as the battery of Fig. 1 after ion irradiation;
  • Fig. 4 is a schematic representation of the polymer structure of a separator such as the battery of Fig. 1 after ion irradiation and during the etching process;
  • Fig. 5 is a photomicrograph of the surface of a separator, like him
  • Fig. 9 shows an apparatus for producing a separator, such as the battery of
  • Figure 1 has; such as
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of an inventive electrochemical energy storage is shown in a perspective view.
  • This electrochemical energy store described below is a secondary battery in the form of a lithium-ion battery.
  • this embodiment represents only one possible example of an inventive electrochemical energy storage.
  • the inventive separator can also be used in other electrochemical energy storage.
  • the battery has a substantially cylindrical housing 10 with a circumferential side wall in which, as the most essential components of the battery, a positively charged electrode 20 and a negatively charged electrode 30 are arranged separated by porous separators 40a and 40b.
  • an electrolyte is present in the housing 10, which is in chemical contact with the two electrodes 20, 30 and which surrounds the two separators 40a, 40b and thereby wets.
  • the negative electrode 30 in this case has an active in the chemical reaction of the charging or discharging process material containing graphite.
  • the positive electrode 20 contains in particular lithium metal oxides.
  • the positive and the negatively charged electrodes 20 and 30 are each formed as a long, band-shaped microporous film 21 and 31, respectively.
  • the separators 40a and 40b are each formed as a whole in the present embodiment as a film.
  • the battery has here two similar separators 40a and 40b.
  • said microporous films in the sequence of positive electrode 20 - separator 40a - negative electrode 30 - separator 40b are superimposed congruent and then wound around a pin 50 around (possibly several times), wherein the positive electrode 20 radially to the innermost to lie comes.
  • the film 21 of the positive electrode 20 and the film 31 of the negative electrode 30 are thus separated from each other even in the wound state at each location by one of the two separators 40a and 40b.
  • the structure of the separators 40a and 40b will be described in detail later.
  • the terminal pin 50 is disposed centrally along the longitudinal axis of the housing 10 and connected to an electrode terminal 22 of the positively charged electrode 20 along a major portion of its length.
  • This electrode terminal 22 is formed along the inner edge of the film 21 of the positive electrode 20 which is in the rolled-up state and extends parallel to the pin 50. It is arranged on the radially inward-facing side of the film 21.
  • the electrode connection 22 is in particular designed such that it can be connected to the connection pin 50 and thereby produces an electrically conductive connection between the film 21 of the positive electrode 20 and the connection pin 50.
  • the connecting pin 50 in turn is connected via an electrically conductive connection with a positive pole 70, which is formed in this embodiment by a cover surface, which closes the cylindrical housing 10 to one side sealingly.
  • a seal 110 is arranged, for example in the form of a sealing ring between the housing 10 and the outer edge of this top surface.
  • the outwardly facing side of the cover surface, which forms the positive pole 70, is particularly suitable for applying a first contact of an electrical load (not shown), which can be configured in a variety of ways.
  • An insulator 61 is attached to the side of the roller formed by the electrodes 20, 30 and the separators 40a, 40b, facing the pole 70.
  • the insulator 61 prevents electrical contact of the negatively charged electrode 30 with the pin 50, the pole 70 or other electrically conductive and between the pole 70 and the negative electrode 30 disposed element.
  • the insulator 61 which is made of an electrically insulating material, surrounds the connecting pin 50 and extends circumferentially from this radially outward to the side wall of the housing 10 back. As a result, it is ensured in the present exemplary embodiment that the pole 70 is electrically connected to the winding exclusively via the connecting pin 50 and that no battery-internal short circuit can occur between the pole 70 and the negative electrode 30.
  • a PTC thermistor 100 may be provided.
  • the thermistor 100 is a temperature-dependent electrical resistance, which increases its resistance significantly with an increase of the current and thereby limits the current flow and thus the temperature upwards. The battery is thereby protected from an elevated temperature due to excessive current flow, thereby preventing irreversible damage to the battery.
  • a safety valve 90 can be formed in the region between the nested electrodes 20, 30 or separators 40a, 40b and the pole 70. This safety valve 90 allows an overpressure arising, for example, during a battery charge to escape to the outside from the interior of the battery.
  • the film 31 of the negative electrode 30 has in the present embodiment, an electrode terminal 32 which is mounted along the outside in the wound state, parallel to the pin 50 extending edge of the film 31.
  • This electrode terminal 32 is formed on the radially outwardly facing side of the film 31 and has at its end remote from the pole 70 on a tab which extends from the radial outer side of the film 31 beyond the edge radially inwardly.
  • the tab of the electrode terminal 32 is connected to a negative pole 80 which is formed by a terminal surface which closes the housing 10 on the opposite side of the positive pole 70.
  • the outside of this end face is suitable for applying a second contact of an electrical load, not shown here.
  • a second insulator 62 which electrically separates the negative pole 80 from the positive electrode 20.
  • the second insulator 62 is arranged between this tab and the rolled-up films 21, 31, 40a, 40b.
  • the connecting pin 50 does not penetrate the second insulator 62 in contrast to the first insulator 61.
  • a separator 40 suitable for use as a separator 40a or 40b in a battery is porous trained and separated when used in a battery, the positively charged electrode 20 and the negatively charged electrode 30 from each other. He is in the present embodiment, in particular permeable to lithium ions.
  • the starting material of the separator 40 consists of a uniform, homogeneous polyester and may consist of polycarbonate, polyamide or polyimide or, in particular, as in the present case, of polyethylene terephthalate (PET). As illustrated in Fig. 2, this starting material is constituted on a molecular level by a plurality of polymer chains 41, and depending on different areas, a crystalline one (corresponding to the area A in Fig. 2) to an amorphous one (area B in Figs 2) structure can form.
  • the film-processed starting material of the separator 40 is exposed to ion irradiation for a certain time.
  • This irradiation takes place essentially from a direction which is perpendicular to the film surface, as indicated in FIG. 2 with an arrow which indicates the direction of irradiation.
  • the rear and front film surfaces are located in Figure 2 on the left or right side.
  • a different pore density can be determined. Local variations in pore density are present, but relatively low.
  • the polymer chains 41 in the respective regions where the ions pass through the film are destroyed or separated, as shown in FIG.
  • the film according to this embodiment is subsequently immersed in a bath containing corrosive substances and pulled therethrough.
  • the corrosive substances used are strongly alkaline solutions, such as potassium and caustic soda.
  • the polymer chains separated by the ion irradiation are removed by the etching process, whereby a pore extending through the film is formed.
  • the etching liquid does not spread perpendicularly to the film surface along the side of the film Ion irradiation formed path, but also in all directions perpendicular thereto.
  • the etching liquid forms an etching front as it propagates in the separator film.
  • the velocity V t at which this etching front propagates in the direction of the path formed by the ion bombardment is substantial, that is to say a multiple, greater than the velocity V b at which the etching front propagates perpendicular to this path.
  • the reason for this is that the disrupted polymer chains greatly facilitate the propagation of the etching front in the corresponding direction of the path formed by the ion irradiation.
  • the etching front has passed through the film and the pores are formed.
  • the film may remain longer in the bath with the etching liquid, whereby the pores widen according to the already mentioned speed V b .
  • the manufacturing process can be completed by further steps such as neutralizing, rinsing and drying.
  • the separator film is pulled through successive baths.
  • the process may also be extended to include, for example, a step of modifying the surface in which the microporous film in which pores are already formed is changed so as to improve its wettability with liquids. This modification may be by chemical or physical means. Further manufacturing steps are possible.
  • the pores 43 of the separator 40 have a substantially cylindrical shape and connect the upper side of the separator film with the lower side in a substantially straight path. Between the pores 43, a solid 42 is formed, which is impenetrable to ions.
  • the pores 43 have a well-defined structure, and passage of an ion through the separator 40 is through one of the pores 43 in a straight, direct path that is free of resistances.
  • the pores 43 thus represent actual ion channels, which are clearly visible microscopically in the separator.
  • the ion channels or pores 43 are in particular at an angle to each other, that is, at different angles to one another.
  • a such oblique configuration of the ion channels is achieved in that the ions are deliberately deflected in the corresponding irradiation of the Separatorfolie in corresponding, different spatial directions relative to the surface of the film.
  • One possible method for producing such oblique ion channels is described below with reference to FIGS. 9 and 10.
  • the angle ⁇ (see FIG. 6) of an ion channel to the surface of the film is at least 45 ° in each case in all directions.
  • more than 50% of all ion channels have an angle of less than 70 ° to the film surface.
  • the angle of the ion channels 43 to the film surface is determined in each case during the ion irradiation through the direction of the ion passage through the film.
  • the obliquely running ion channels 43 for example, at the surface, as shown in Figure 5 repeatedly, or intersect on another level of the film, that is at one point have an at least partially overlapping cross-sectional area. Due to the oblique, random arrangement, the ion channels 43 run outside of this common intersection but then independently and in different directions. The decisive for an ion passage cross-sectional area is thus still given by the diameter of the individual ion channel and not determined by the common cross-sectional area at an intersection with another ion channel. By the respective different oblique course of the ion channels 43 so the cross-sectional area of the pores can be precisely defined, and the scattering of this cross-sectional area of pores over the entire separator 40 are kept considerably lower.
  • the ion channels 43 may be formed such that they are funnel-shaped in the region of their openings, with which they open outward at the two film surfaces, wherein they widen conically towards the outside.
  • the ion channels can have such funnel-shaped openings on both sides of the foil, ie be double-conical and have a kind of "hourglass shape.”
  • the entry of an ion into an ion channel 43 is thereby facilitated
  • the shape of an ion channel 43 is formed during the etching process, since the etching chemical takes a certain amount of time to penetrate into and form the ion channels.
  • the etching chemical thus acts longer on the surface of the film or in the input region of the ion channels than in the interior of the ion channels. This causes the formation of outwardly conically widening openings of the ion channels, which is microscopically easily recognizable in particular with relatively thicker Separatorfolien.
  • the pores 43 advantageously have a diameter of 0.01 ⁇ to 10 ⁇ , wherein the separator 40 preferably has a pore density of 10E5 to 10E9 pores per cm 2 .
  • the separator 40 is made of polyethylene terephthalate (PET) with its surface modified to have properties that improve wettability with liquids.
  • the thickness of the separator 40 is 23 ⁇ 2 ⁇ , and the pore diameter 0.2 ⁇ 0.02 ⁇ .
  • the density of the pores is 320 ⁇ 40 * 10E6 pores per cm.
  • such a separator allows per cm an air flow of more than 2.5 liters per minute and per bar.
  • the bursting pressure of the separator is more than 0.95 bar, and the separator has a temperature resistance of over 220 ° C.
  • the thus formed separator 40 has a porosity of about 12%. This value is very low compared to prior art separators based, for example, on polyolefins or coated PET nonwovens. Nevertheless, the ion permeability in the present separator is significantly improved as compared with the prior art separators, particularly with respect to the ions transmitted per unit time. This can be explained with the specific, straight and tubular pore structure of the separator 40 described, as shown in Figures 5 and 6, compared to the pore structure of conventional separators. Such a pore structure of a separator 40 'of the prior art is shown in Figure 7 in plan view and in Figure 8 in cross section.
  • the separator material which here is based on polyolefins, is pulled apart in a stretching process, whereby a fibril-like sponge-like structure is formed.
  • the solid 42 ' thus forms a multiplicity of islands which, as shown in FIG. 7, are connected to one another via a multiplicity of branches.
  • the pores 43 ' are formed.
  • these pores 43 'do not have a cylindrical, rectilinear structure but are formed by highly angular and random paths through the ramified structure of the separator solid 42'.
  • a passageway for an ion from one to the other side of the separator 40 ' is thus considerably extended, and the pore diameter is not clearly determined and has a correspondingly large scattering.
  • the poorer wettability of the polyolefin-based material in comparison with PET has a negative effect on the properties of the separator.
  • Figure 9 shows schematically a possible device for producing obliquely inclined ion channels in a film.
  • the device has an ion source 200 which emits ions.
  • the ions are accelerated within a magnetic field, which is formed in the acceleration sections 220, 221, 222 and 223, along a longitudinal axis in the direction of a target, which is a film 260, in particular a PET film.
  • the magnetic field strengths of the acceleration sections 220 to 223 may each be different and, in particular, continuously increase from the acceleration sections 220 to the acceleration sections 223.
  • the energy of the ions must definitely be high enough to penetrate the target or sheet 260. Due to the length of the acceleration sections 220 to 223, it is ensured that the ions strike the target within a certain angular range.
  • Such ion accelerators have long been known in the art.
  • a so-called wobble 210 is arranged, which serves to fan out the ion beam.
  • the wobble 210 surrounds the ion beam and exposes it to a temporally variable electromagnetic field.
  • a power supply 250 supplies the sweeper with an alternating voltage.
  • the film 260 to be irradiated is rolled up in the winding chamber 240 on one of the winding rolls 241 and, during the ion irradiation, is continuously wound from one winding roll 241 to the other winding roll 241 according to a proven process.
  • the film 260 runs over a deflecting roller 242 arranged between the two winding rollers 241.
  • the deflecting roller 242 is arranged exactly on the longitudinal axis of the ion beam.
  • the film 260 thereby has a radius corresponding to the radius of the deflection roller 242 in the area where it is bombarded by the ion beam, which is shown in FIG. 10 (arrows represent the fanned-out ion beam).
  • the wobbler 210 is actually used to reinforce the effect illustrated in FIG. 10 in that the wobble 210 fans out the ion beam such that the individual ions travel at at slightly different angles relative to the longitudinal axis of the ion beam through the acceleration sections 220-. Move 223.
  • the film 260 is advantageously guided several times, in particular at least twice, over the deflection roller 242 or is wound from one of the winding rollers 241 onto the other winding roller 241.
  • the film 260 is thus exposed several times to the ion bombardment.
  • the film 260 is exposed to the ion beam in such a way that the resulting ion channels not only extend obliquely with respect to one another along one dimension, but also have different inclinations to each other along two dimensions. The probability that parallel ion channels with partially overlapping cross-sectional areas occur can thereby be further reduced.
  • the film 260 can be guided over the deflection roller 242, for example, for a renewed ion bombardment in a different orientation.
  • the ions can also be deliberately deflected in mutually perpendicular spatial directions and thus fanned out in two dimensions.
  • Possibilities are conceivable.
  • the battery need not be a lithium-ion battery. It does not necessarily have to be a secondary battery.
  • the electrochemical energy store could just as well be designed as a primary battery.
  • the positive or negative electrode in such a case would be correspondingly made of another material known to those skilled in the art.
  • the electrolyte would have a different chemical composition and then it would be correspondingly not involved in lithium ions, but other ions in the ion transport through the separator through.
  • the separator would be adapted to the particular type of battery and in particular the properties of the ions to be transmitted.
  • the battery may for example have a different design than the described cylindrical and be configured for example as a button cell, flat battery or as a block.
  • the battery may have a separator having further surface coatings for improving its physical and / or chemical properties. A variety of other modifications is possible.

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Abstract

Es wird ein elektrochemischer Energiespeicher mit einem Separator (40, 40a, 40b) angegeben, wobei der elektrochemische Energiespeicher eine positiv geladene Elektrode (20) und eine negativ geladene Elektrode (30) aufweist, sowie einen Elektrolyten und einen porös ausgebildeten Separator (40, 40a, 40b), welcher die positiv geladene Elektrode (20) und die negativ geladene Elektrode (30) voneinander trennt und porös ausgebildet ist. Der Separator (40, 40a, 40b) weist mindestens eine mikroporöse Folie auf, welche unter anderem mittels einer Bestrahlung von Ionen hergestellt ist. Zudem weist der Separator (40, 40a, 40b) Ionenkanäle (43) auf, welche jeweils in unterschiedlichen Winkeln zueinander stehen.

Description

TITEL
Elektrochemischer Energiespeicher mit Separator
TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer positiv geladenen Elektrode, einer negativ geladenen Elektrode sowie einem porösen Separator. Der porös ausgebildet Separator dient dazu, die positiv geladene Elektrode und die negativ geladene Elektrode voneinander zu trennen. STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige elektrochemische Energiespeicher bekannt, welche dazu dienen, elektrisch betriebene Geräte mit Energie zu versorgen. Derartige Energiespeicher werden üblicherweise als Batterien oder Akkumulatoren (bzw. Akkus) bezeichnet. Bei der Entladung der Batterie bzw. des Akkus wird chemische Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die letztere kann von einer mit dem elektrochemischen Energiespeicher verbundenen elektrischen Last auf vielfältige Weise genutzt werden. Elektrochemische Energiespeicher lassen sich allgemein in eine erste Gruppe von nicht aufladbaren Primärbatterien und in eine zweite Gruppe von wiederaufladbaren Sekundärbatterien einteilen. Sekundärbatterien lassen sich dabei nach der Entladung wieder in einen Ladezustand bringen, welcher weitgehend dem ursprünglichen Ladezustand vor der Entladung entspricht, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.
Wesentliche Qualitätskriterien von Primär- wie auch von Sekundärbatterien sind eine hohe Energiedichte, eine gute thermische Stabilität und das Liefern einer konstanten Spannung über den Entladezeitraum. Weiters weisen bevorzugte Batterien keinen sogenannten „Memory-Effekt" auf, was bedeutet, dass sie auch bei mehreren Lade-/Entladevorgängen keinen Kapazitätsverlust erleiden. Ausserdem sollten die in den Batterien verwendeten Rohstoffe ausreichend in der Natur vorhanden sein, wodurch diese Batterie-Typen auch langfristig kostengünstig in der Herstellung sind.
Die Funktionsweise von Batterien basiert auf einer dem Fachmann bekannten elektrochemischen Redoxreaktion, wobei bei der Batterieentladung an einer positiv geladenen Elektrode (Kathode) reduzierende Prozesse ablaufen und an einer negativ geladenen Elektrode (Anode) oxidierende Prozesse. Es gibt also einen Ionentransport, der innerhalb eines Elektrolyten stattfindet, wobei der Prozess bei einer wiederaufladbaren Sekundärbatterie umgedreht werden kann, um die Batterie wieder aufzuladen. Um die Anode und die Kathode räumlich und elektrisch voneinander zu trennen, wird in der Batterie ein Separator eingesetzt. Dieser ist mit dem Elektrolyt benetzt und hat insbesondere die Aufgabe, elektrische Kurzschlüsse innerhalb der Batterie zu verhindern, wobei er aber gleichzeitig durchlässig für Ionen sein muss, um die elektrochemischen Reaktionen gewährleisten zu können.
Der Separator stellt somit ein wichtiges Element dar, welches die Eigenschaften der Batterie wesentlich mit beeinflusst. Der Innenwiderstand, die Ladekapazität, der Lade- /Entladestrom sowie weitere elektrische Eigenschaften der Batterie werden massgeblich durch den Separator mitbestimmt. Der Separator sollte mechanisch stabil sein und eine gute Ionen-Durchlässigkeit aufweisen. Zu den Anforderungen an Batterien gehört neben einer hohen Energiedichte insbesondere auch eine hohe Leistungsdichte, um innerhalb von kurzer Zeit eine grosse Energiemenge zur Verfügung stellen zu können. Die Leistungsdichte wird aber insbesondere durch die Permeabilität des Separators beeinflusst. Der Separator sollte demnach derart ausgebildet sein, dass er eine möglichst grosse Menge an Ionen pro Zeiteinheit durchlässt. Unter anderem sollte daher die Dicke des Separators so klein wie möglich sein. Ausserdem sollte der Separator gut benetzbar, langfristig stabil in Bezug auf die in der Batterie vorkommenden Chemikalien und Lösungen sein und unempfindlich auf Temperaturschwankungen, wie sie in Batterien vorkommen können, reagieren. Im Stand der Technik werden hauptsächlich Separatoren verwendet, die auf Polyolefinen basieren. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie empfindlich auf erhöhte Temperaturen und insbesondere auf Temperaturen von über 150° C reagieren. So ist die Schmelztemperatur von Polyolefinen verhältnismässig tief, und ein derart ausgebildeter Separator weist eine geringe Formstabilität in Bezug auf Erwärmung auf. Dadurch können Kurzschlüsse innerhalb der Batterie verursacht werden, welche wiederum einen Temperaturanstieg zur Folge haben. Die Batterie wird dadurch nachhaltig beschädigt. Gerade im Bereich von leistungsstark ausgebildeten Batterien oder bei Auftreten von externen Kurzschlüssen können jedoch sehr starke interne Erwärmungen auftreten, welche vom Separator ausgehalten werden sollten, um die Batterie nicht irreversibel zu beschädigen.
In der EP 0 851 523 ist ein Separator offenbart, der aus einer auf einem Polyethylenterephthalat (PET)-Vlies basierenden Folie besteht. Die thermische Stabilität dieser Folie ist im Vergleich zu den auf Polyolefinen basierenden Separatoren deutlich erhöht. Weitere derartige, rein auf PET basierende Separatoren sind ebenfalls in US 2003/0190499 und US 2006/0019164 beschrieben. Nachteilig bei derartigen Separatoren wirken sich jedoch die verhältnismässig grossen Poren aus, welche einen durchschnittlichen Durchmesser von 5 μιη bis 15 μιη aufweisen. Die Streuung des Porendurchmessers ist ausserdem gross, wodurch sich insbesondere im Bereich von grösseren Poren Kurzschlussströme ausbilden können. Ausserdem weist der Separator aufgrund seiner vliesartigen Struktur nicht wohl definierte Ionenkanäle, sondern eine schwammartige Beschaffenheit auf. Der Weg der Ionen von der einen auf die andere Seite der als Tiefenfilter wirkenden Separator-Folie verlängert sich dadurch wesentlich, und die Porengrösse variiert sowohl in die Richtung durch den Separator hindurch als auch über die Fläche des Separators dementsprechend stark. Ein weiteres bekanntes Problem derartiger Separatoren ist das sog. Dendritenwachstum. Dabei bilden sich ausgehend von den Elektroden eine Art sich vergrössernde„Tropfsteine" aus, welche unter Umständen durch den Separator hindurchreichen und somit einen internen Kurzschluss bilden können. Separatoren, welche eine schwammartige Struktur aufweisen, sind insbesondere deshalb anfällig auf dieses Dendritenwachstum, da einerseits zum Teil übermässig grosse Poren, die eine grosse lokale Stromdichte verursachen, bereits vorhanden sind, und andererseits die dünn ausgebildeten Schwammstrukturen leicht durchbrechbar sind. Weitere auf PET basierende Separatoren werden in JP 2005/293891 und CN 2009/69179 angegeben. Um die Eigenschaften einer Lithium-Ionen Batterie zu verbessern und die Porengrösse des Separators zu verkleinern, werden in EP 2 077 594 und US 2003/0190499 Separatoren angegeben, bei denen jeweils ein auf PET basierendes Vlies mit einem organischen Polymer wie zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVdF) beschichtet ist. US 2006/0019164 beschreibt einen PET-Separator mit einer Keramik-Beschichtung. Nachteilig wirken sich bei diesen Separatoren jedoch insbesondere die Tiefenfilterstruktur und im Fall von Keramik auch die Brüchigkeit und erschwerte Herstellung aus.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrochemischen Energiespeicher anzugeben, welcher einen Separator aufweist, der die oben genannten Nachteile behebt.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrochemischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung stellt also einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem Separator zu Verfügung, welche die folgenden Merkmale aufweist:
eine positiv geladene Elektrode;
eine negativ geladene Elektrode; und
einen Elektrolyten.
Der Separator trennt die positiv geladene Elektrode und die negativ geladene Elektrode voneinander und ist porös ausgebildet. Der Separator weist zudem mindestens eine mikroporöse Folie auf, in welcher Ionenkanäle ausgebildet sind, die unter anderem mittels einer Bestrahlung von Ionen hergestellt sind.
Die Ionenkanäle stehen dabei jeweils in unterschiedlichen Winkeln zueinander.
Beim elektrochemischen Energiespeicher kann es sich um eine Primärbatterie oder um eine Sekundärbatterie handeln. Es kann sich dabei um einen beliebigen Batterietyp innerhalb dieser beiden Gruppen handeln, wobei insbesondere die positiv geladene Elektrode und die negativ geladene Elektrode sowie der Elektrolyt dann aus einem entsprechenden Material ausgebildet sind. In der Gruppe der Primärbatterien wäre beispielsweise eine Lithium Batterie denkbar. Im Falle einer Sekundärbatterie kann der elektrochemische Energiespeicher beispielsweise Batterietypen betreffen wie eine Blei- Säure Batterie, eine Blei-Gel Batterie, eine Natrium-Schwefel Batterie, eine Nickel- Lithium Batterie, eine Lithium-Eisenphosphat Batterie, eine Lithium-Titanat Batterie oder eine Lithium-Luft Batterie. Insbesondere bevorzugt ist der elektrochemische Energiespeicher jedoch eine Lithium-Ionen Batterie, bei der die positiv geladene Elektrode ein lithiumhaltiges Metalloxid aufweist und die negativ geladene Elektrode dazu geeignet ist, Lithium-Ionen aufzunehmen und abzugeben.
Die Herstellung der mikroporösen Folie mittels Bestrahlung mit Ionen ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil dadurch das Ausbilden von wohl definierten Ionenkanälen möglich ist. Die Ionenbestrahlung bewirkt somit die Ausbildung der Ionenkanäle. Die mikroporöse Folie kann also neben der Bestrahlung von Ionen durch weitere Verfahrensschritte hergestellt sein, welche in der fertigen Folie mikroskopisch erkennbar sind, wie insbesondere durch eine anschliessende chemische Ätzung. Durch eine solche Ätzung können Molekülketten, die bei der Ionenbestrahlung aufgespalten wurden, abgetragen werden, um Poren vollständig auszubilden. Es sind weitere und alternative Weiterbehandlungsschritte möglich. Diese Bestrahlung von Ionen in Kombination mit möglichen weiteren Verfahrensschritten wie der beschriebenen Ätzung bewirkt also eine Ausbildung von mikroskopisch erkennbaren Ionenkanälen. Im Gegensatz zu Separatoren des Standes der Technik, welche die schwammartige Struktur eines Tiefenfilters haben, erlaubt ein solcher erfindungsgemässer Separator den Durchtritt für Ionen auf einem direkten, widerstandsfreiem Weg. Ein derartiger Separator kann also zugleich eine verhältnismässig kleine Porosität und eine trotzdem sehr gute Ionendurchlässigkeit aufweisen. Er ist daher auch mechanisch relativ stabil. Die gute Ionendurchlässigkeit des Separators verbessert die elektrischen Eigenschaften der Batterie erheblich, und die mechanische Stabilität des Separators erleichtert insbesondere die Herstellung der Batterie.
Der Separator kann insbesondere eine einzige mikroporöse Folie aufweisen. Des Weiteren kann er alleine aus dieser gebildet sein.
Bevorzugt ist die mikroporöse Folie mindestens teilweise aus Polyethylenterephthalat (PET) und insbesondere ausschliesslich aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt. Der Separator weist dadurch eine Beständigkeit über einen sehr grossen Temperaturbereich auf. Der Schmelzpunkt eines solchen PET-Separators beträgt 220° C, und der Separator kann in einem Bereich von -40° C bis 180° C ohne Veränderung seiner Struktur betrieben werden. Dies erlaubt es beispielsweise, die Batterie auch bei grosser Leistung zu betreiben. Zudem ist PET gut mit einem Elektrolyten benetzbar und hat gute Eigenschaften bezüglich der Verarbeitung.
Vorzugsweise sind die Poren der mikroporösen Folie jeweils als im Wesentlichen zylinderförmige Ionenkanäle ausgebildet. Unter„im Wesentlichen" ist gemeint, dass sich der Durchmesser der Ionenkanäle entlang ihrer Längenausdehnung geringfügig verändern kann. Die zylinderförmige Gestalt der Ionenkanäle kann dabei schlauchartig oder insbesondere rohrförmig sein. Unterschiedliche Ionenkanäle können sich dabei auch schneiden. Bei einer deutlich überwiegenden Mehrheit der Poren ist jedoch ein klar definierter, schlauchartiger Ionenkanal erkennbar, welcher zumindest einen beträchtlichen Längenabschnitt aufweist, der unverzweigt ist und nicht von einem anderen Ionenkanal geschnitten wird. Eine derartige Porenstruktur ist optimal, da die Querschnittsfläche der Poren sehr genau bestimmbar ist, und der Weg für die Ionen durch den Separator hindurch direkt und widerstandsfrei ist.
Insbesondere stehen die Ionenkanäle jeweils in unterschiedlichen Winkeln zueinander. Dies bedeutet, dass sich die Ionenkanäle in jeweils zufälliger Weise in zueinander verschiedenen Raumrichtungen erstrecken. Bevorzugt stehen die Ionenkanäle jeweils nicht nur entlang von einer Dimension, sondern entlang von zwei Dimensionen, die sich jeweils parallel zur Folienoberfläche erstrecken, in unterschiedlichen Winkeln zueinander. Die verschiedenen Ionenkanäle stehen also vorteilhaft jeweils windschief zueinander im Raum. Der mittlere Porendurchmesser des Separators weist dadurch insbesondere bei einer hohen Porendichte eine wesentlich kleinere Streuung auf. Die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von parallelen Ionenkanälen, die teilweise überlappende Querschnittsflächen aufweisen und dadurch gemeinsam eine zu breite Pore bilden, ist erheblich verringert. Vorteilhaft ist insbesondere eine Ausführung, bei welcher der Winkel zwischen der Oberfläche der Separatorfolie und den Ionenkanälen jeweils mindestens 45° beträgt. Die Länge der Ionenkanäle ist dadurch begrenzt. Bevorzugt weisen jedoch mindestens 50% der Ionenkanäle einen Winkel zur Oberfläche der Separatorfolie von weniger als 70° auf. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Winkel der Ionenkanäle zur Folienoberfläche jeweils von Ionenkanal zu Ionenkanal genügend stark unterscheiden.
Die Ionenkanäle können jeweils zu beiden Seiten des Separators hin eine Öffnung haben, welche sich, mikroskopisch erkennbar, nach aussen hin aufweitet. Vorzugsweise weiten sich die Öffnungen dabei jeweils konisch nach aussen hin auf, wodurch ein einzelner Ionenkanal als doppelkonisch bezeichnet werden kann, und er als Ganzes eine Art „Sanduhrgestalt" hat. Der Eintritt der Ionen in den Ionenkanal ist dadurch erleichtert, wodurch sowohl die Eigenschaften des Lade- als auch des Entladevorgangs begünstigt werden.
Um einerseits eine gute Ionendurchlässigkeit bei geringem Innenwiderstand zu erreichen und andererseits die mechanische Stabilität des Separators zu gewährleisten, weist der Separator bevorzugt eine Dicke von 12 μιη bis 36 μηι auf. Dabei ist insbesondere eine Dicke des Separators von 20 μπι bis 28 μιη, vorzugsweise von ungefähr 23 μηι, vorteilhaft.
Um die Benetzbarkeit des Separators mit dem Elektrolyt zu verbessern und damit den Ionendurchtritt durch den Separator hindurch zu erleichtern, kann der Separator eine Modifizierung der Oberfläche aufweisen, welche die Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten verbessert. Dabei kann es sich um eine chemische oder eine physikalische Modifizierung handeln. Es kann insbesondere auch eine Beschichtung der Oberfläche mit einem anderen Material sein, welches in Bezug auf die Benetzbarkeit verbesserte Eigenschaften aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Porosität des Separators weniger als 30 %. Die mechanische und chemische Stabilität ist dadurch verbessert. Noch vorteilhafter ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Porosität des Separators weniger als 20 %, insbesondere sogar weniger als 15 % beträgt.
Die vorliegende Erfindung gibt ausserdem einen Separator zur Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher an, wobei der Separator wie oben beschrieben ausgestaltet ist, insbesondere ist er porös ausgebildet. Weiters wird erfindungsgemäss die Verwendung einer mikroporösen Folie als Separator für einen elektrochemischen Energiespeicher beansprucht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 perspektivische Ansicht einer zu Illustrationszwecken aufgeschnittenen, erfindungsgemässen Batterie gemäss einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Polymerstruktur eines Separators, wie ihn die Batterie von Figur 1 aufweist, vor der Ionenbestrahlung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Polymerstruktur eines Separators, wie ihn die Batterie von Figur 1 aufweist, nach der Ionenbestrahlung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Polymerstruktur eines Separators, wie ihn die Batterie von Figur 1 aufweist, nach der Ionenbestrahlung und während des Ätzvorganges;
Fig. 5 eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines Separators, wie ihn die
Batterie von Figur 1 aufweist;
Fig. 6 eine mikroskopische Schnittaufhahme senkrecht zur Oberfläche eines
Separators, wie ihn die Batterie von Figur 1 aufweist;
Fig.7 eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines Separators gemäss des
Standes der Technik;
Fig. 8 eine mikroskopische Schnittaufhahme senkrecht zur Oberfläche eines
Separators gemäss des Standes der Technik;
Fig. 9 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Separators, wie ihn die Batterie von
Figur 1 aufweist; sowie
Fig. 10 eine Darstellung des Ionenbeschusses einer Folie in der Vorrichtung der
Figur 9. BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Figur 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen elektrochemischen Energiespeichers in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Bei diesem im Folgenden beschriebenen elektrochemischen Energiespeicher handelt es sich um eine Sekundärbatterie in Form einer Lithium-Ionen Batterie. Diese Ausführungsform stellt jedoch nur ein mögliches Beispiel eines erfindungsgemässen elektrochemischen Energiespeichers dar. Selbstverständlich kann der erfindungsgemässe Separator auch in anderen elektrochemischen Energiespeichern eingesetzt werden.
Die Batterie weist in dieser Ausführungsform ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 10 mit einer umlaufenden Seitenwand auf, in dem als wesentlichste Bestandteile der Batterie eine positiv geladene Elektrode 20 und eine negativ geladene Elektrode 30 getrennt durch poröse Separatoren 40a und 40b angeordnet sind. Zudem ist im Gehäuse 10 ein Elektrolyt vorhanden, welcher mit den beiden Elektroden 20, 30 in chemischem Kontakt steht und welcher die beiden Separatoren 40a, 40b umgibt und dabei benetzt. Die negative Elektrode 30 weist dabei ein in der chemischen Reaktion des Lade- bzw. Entladevorganges aktives Material auf, welches Graphit enthält. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die positive Elektrode 20 insbesondere Lithium-Metalloxide. Die positiv und die negativ geladenen Elektroden 20 und 30 sind dabei jeweils als eine lange, bandförmige mikroporöse Folie 21 respektive 31 ausgebildet. Ebenso sind die Separatoren 40a und 40b im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils als Ganzes als eine Folie ausgebildet. Die Batterie weist hier zwei gleichartige Separatoren 40a und 40b auf. Zur Herstellung der Batterie werden diese genannten mikroporösen Folien in der Abfolge positive Elektrode 20 - Separator 40a - negative Elektrode 30 - Separator 40b jeweils deckungsgleich übereinandergelegt und anschliessend um einen Anschlussstift 50 herum (eventuell mehrfach) aufgerollt, wobei die positive Elektrode 20 radial am Innersten zu liegen kommt. Die Folie 21 der positiven Elektrode 20 und die Folie 31 der negativen Elektrode 30 sind also auch im aufgewickelten Zustand an jedem Ort durch jeweils einen der beiden Separatoren 40a bzw. 40b voneinander getrennt. Der Aufbau der Separatoren 40a und 40b ist weiter unten im Detail beschrieben. Der Anschlussstift 50 ist zentral entlang der Längsachse des Gehäuses 10 angeordnet und entlang eines überwiegenden Teils seiner Länge mit einem Elektrodenanschluss 22 der positiv geladenen Elektrode 20 verbunden. Dieser Elektrodenanschluss 22 ist entlang des im aufgerollten Zustand inneren, parallel zum Anschlussstift 50 verlaufenden Randes der Folie 21 der positiven Elektrode 20 ausgebildet. Er ist dabei auf der radial nach innen weisenden Seite der Folie 21 angeordnet. Der Elektrodenanschluss 22 ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass er mit dem Anschlussstift 50 verbindbar ist und dadurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Folie 21 der positiven Elektrode 20 und dem Anschlussstift 50 herstellt.
Der Anschlussstift 50 wiederum ist über eine elektrisch leitende Verbindung mit einem positiven Pol 70 verbunden, der in dieser Ausführungsform durch eine Deckfläche gebildet ist, welche das zylinderförmige Gehäuse 10 zu einer Seite hin dichtend abschliesst. Zur Dichtung ist dabei eine Dichtung 110 zum Beispiel in Form eines Dichtungsringes zwischen dem Gehäuse 10 und dem äusseren Rand dieser Deckfläche angeordnet. Die nach aussen weisende Seite der Deckfiäche, welche den positiven Pol 70 bildet, eignet sich insbesondere zum Anlegen eines ersten Kontaktes einer elektrischen Last (nicht gezeigt), welche auf vielfältige Weise ausgestaltet sein kann. An der zum Pol 70 hinweisenden Seite der durch die Elektroden 20, 30 und die Separatoren 40a, 40b gebildeten Rolle ist ein Isolator 61 angebracht. Der Isolator 61 verhindert einen elektrischen Kontakt der negativ geladenen Elektrode 30 mit dem Anschlussstift 50, dem Pol 70 oder einem anderen elektrisch leitenden und zwischen dem Pol 70 und der negativen Elektrode 30 angeordneten Element. Der Isolator 61, welcher aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist, umgibt dabei den Anschlussstift 50 und erstreckt sich umlaufend von diesem radial nach aussen bis zur Seitenwand des Gehäuses 10 hin. Dadurch ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel gewährleistet, dass der Pol 70 ausschliesslich über den Anschlussstift 50 elektrisch mit der Wicklung verbunden ist und kein batterieinterner Kurzschluss zwischen dem Pol 70 und der negativen Elektrode 30 entstehen kann.
Um die Temperatur im Inneren der Batterie beispielsweise im Falle eines externen Kurzschlusses nach oben hin zu begrenzen, kann innerhalb der elektrischen Verbindung zwischen dem Anschlussstift 50 und dem Pol 70 ein PTC-Thermistor 100 vorgesehen sein. Der Thermistor 100 ist ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand, welcher seinen Widerstandswert bei einer Erhöhung des Stromes erheblich erhöht und dadurch den Stromfluss und somit auch die Temperatur nach oben hin begrenzt. Die Batterie ist dadurch vor einer erhöhten Temperatur aufgrund eines zu hohen Stromflusses geschützt, wodurch damit verbundene, irreversible Schäden an der Batterie verhindert werden.
Zusätzlich kann im Bereich zwischen den ineinander eingerollten Elektroden 20, 30 bzw. Separatoren 40a, 40b und dem Pol 70 ein Sicherheitsventil 90 ausgebildet sein. Dieses Sicherheitsventil 90 lässt einen beispielsweise während einer Batterieaufladung entstehenden Überdruck vom Innern der Batterie nach aussen hin entweichen.
Die Folie 31 der negativen Elektrode 30 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Elektrodenanschluss 32 auf, der entlang des im aufgewickelten Zustand äusseren, parallel zum Anschlussstift 50 verlaufenden Randes der Folie 31 angebracht ist. Dieser Elektrodenanschluss 32 ist auf der radial nach aussen weisenden Seite der Folie 31 ausgebildet und weist an seinem vom Pol 70 abgewandten Ende eine Lasche auf, welche sich von der radialen Aussenseite der Folie 31 über deren Rand hinaus radial nach innen erstreckt. Die Lasche des Elektrodenanschlusses 32 ist mit einem negativen Pol 80 verbunden, welcher durch eine Abschlussfläche gebildet ist, die das Gehäuse 10 auf der dem positiven Pol 70 gegenüberliegenden Seite verschliesst. Die Aussenseite dieser Abschlussfläche eignet sich zum Anlegen eines zweiten Kontaktes einer hier nicht gezeigten elektrischen Last. Zwischen dieser den negativen Pol 80 bildenden Abschlussfläche und den ineinander aufgerollten Folien 21, 31, 40a, 40b ist ein zweiter Isolator 62 angebracht, welcher den negativen Pol 80 elektrisch von der positiven Elektrode 20 trennt. Im Bereich der Lasche des Elektrodenanschlusses 32 ist der zweite Isolator 62 dabei zwischen dieser Lasche und den aufgerollten Folien 21, 31, 40a, 40b angeordnet. Der Anschlussstift 50 durchragt den zweiten Isolator 62 im Gegensatz zum ersten Isolator 61 nicht.
Im Folgenden ist die Herstellung der Separatoren 40a bzw. 40b beschrieben. Ein Separator 40, welcher sich zum Einsatz als Separator 40a oder 40b in einer Batterie eignet, ist porös ausgebildet und trennt dabei im Einsatz in einer Batterie die positiv geladene Elektrode 20 und die negativ geladene Elektrode 30 voneinander. Dabei ist er im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere durchlässig für Lithium-Ionen. Das Ausgangsmaterial des Separators 40 besteht aus einem uniformen, homogenen Polyester und kann dabei aus Polycarbonat, Polyamid oder Polyimid bestehen oder insbesondere, wie im vorliegenden Fall, aus Polyethylenterephthalat (PET). Wie in Figur 2 illustriert ist, ist dieses Ausgangsmaterial auf einer molekularen Ebene durch eine Vielzahl von Polymerketten 41 aufgebaut, wobei diese je nachdem in verschiedenen Bereichen eine kristalline (entsprechend dem Bereich A in Figur 2) bis hin zu einer amorphen (Bereich B in Figur 2) Struktur bilden können.
Zur Herstellung der Poren wird das zu einer Folie verarbeitete Ausgangsmaterial des Separators 40 während einer bestimmten Zeit einer Bestrahlung mittels Ionen ausgesetzt. Diese Bestrahlung erfolgt dabei im Wesentlichen von einer Richtung, die senkrecht zur Folienoberfläche steht, wie in Figur 2 mit einem Pfeil, der die Bestrahlungsrichtung angibt, angedeutet ist. Die rück- und vorderseitigen Folienoberflächen befinden sich dabei in Figur 2 auf der linken respektive rechten Seite. Abhängig von Intensität und Dauer dieser Bestrahlung kann dabei eine unterschiedliche Porendichte bestimmt werden. Lokale Variationen in der Porendichte sind dabei zwar vorhanden, aber verhältnismässig gering. Durch die Bestrahlung werden die Polymerketten 41 in den jeweiligen Bereichen, wo die Ionen durch die Folie hindurch treten, zerstört bzw. getrennt, wie in Figur 3 gezeigt ist. Dabei wird bei einem Ionendurchtritt jeweils ein sich durch die Folie hindurch erstreckender Pfad von zerstörten Polymerketten 41 gebildet. Dieser Pfad, welcher in Figur 3 durch zwei horizontale, durchgezogene Linien markiert ist, weist einen Durchmesser d (siehe Figur 3) von ca. 5 nm bis 7 ran auf.
Die Folie gemäss dieser Ausführungsform wird anschliessend in ein Bad, welches ätzende Stoffe beinhaltet, getaucht und durch dieses hindurchgezogen. Die dazu verwendeten ätzenden Stoffe sind stark alkalische Lösungen, wie zum Beispiel Kalium- und Natronlauge. Durch den Ätzvorgang werden insbesondere die von der Ionenbestrahlung aufgetrennten Polymerketten abgetragen, wodurch sich eine durch die Folie hindurch verlaufende Pore ausbildet. Wie in Figur 4 gezeigt ist, breitet sich die Ätzflüssigkeit während dem Ätzvorgang nicht nur senkrecht zur Folienoberfläche entlang dem durch die Ionenbestrahlung gebildeten Pfad aus, sondern auch in alle Richtungen senkrecht dazu. Die Ätzflüssigkeit bildet dabei bei ihrer Ausbreitung in der Separatorfolie eine Ätzfront. Die Geschwindigkeit Vt, mit welcher sich diese Ätzfront in Richtung des durch den Ionenbeschuss gebildeten Pfad ausbreitet, ist jedoch wesentlich, das heisst um ein Vielfaches, grösser als die Geschwindigkeit Vb, mit welcher sich die Ätzfront senkrecht zu diesem Pfad ausbreitet. Der Grund dafür ist, dass die zerstörten Polymerketten die Ausbreitung der Ätzfront in die entsprechende Richtung des durch die Ionenbestrahlung gebildeten Pfades erheblich erleichtern. Nach einer gewissen Zeit ist die Ätzfront durch die Folie hindurchgetreten und die Poren sind ausgebildet. Um jedoch einen breiteren, und genau vorbestimmten Porendurchmesser zu erhalten, kann die Folie noch länger im Bad mit der Ätzflüssigkeit verbleiben, wodurch sich die Poren entsprechend der schon genannten Geschwindigkeit Vb verbreitern.
Der Herstellungsprozess kann durch weitere Schritte wie beispielsweise Neutralisieren, Spülen und Trocknen abgeschlossen werden. Dazu wird die Separatorfolie nacheinander durch entsprechende Bäder hindurchgezogen. Der Prozess kann auch erweitert werden und zum Beispiel einen Schritt zur Modifizierung der Oberfläche umfassen, bei welchem die mikroporöse Folie, in welcher bereits Poren ausgebildet sind, derart verändert wird, dass ihre Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten verbessert ist. Diese Modifizierung kann durch chemische oder durch physikalische Mittel erfolgen. Weitere Herstellungsschritte sind möglich.
Die Poren 43 des Separators 40 sind, wie in den Figuren 5 und 6 in einer mikroskopischen Darstellung gezeigt ist, im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet und verbinden die Oberseite der Separatorfolie mit der Unterseite auf im Wesentlichen geradem Weg. Zwischen den Poren 43 ist ein Feststoff 42 ausgebildet, der für Ionen undurchdringbar ist. Die Poren 43 weisen eine wohl definierte Struktur auf, und ein Durchtritt eines Ions durch den Separator 40 hindurch erfolgt durch eine der Poren 43 auf einem geradlinigen, direkten Weg, der frei von Widerständen ist. Die Poren 43 stellen also eigentliche Ionenkanäle dar, welche mikroskopisch im Separator gut erkennbar sind.
Wie in Figur 6 gut zu erkennen ist, stehen die Ionenkanäle bzw. Poren 43 insbesondere jeweils schräg zueinander, das heisst in unterschiedlichen Winkeln zueinander. Eine derartige schräg verlaufende Ausgestaltung der Ionenkanäle wird dadurch erreicht, dass die Ionen bei der Bestrahlung der Separatorfolie bewusst in entsprechende, unterschiedliche Raumrichtungen relativ zur Oberfläche der Folie abgelenkt werden. Ein mögliches Verfahren zur Herstellung derartiger schräg verlaufender Ionenkanäle ist weiter unten anhand der Figuren 9 und 10 beschrieben. Vorteilhaft beträgt der Winkel α (siehe Figur 6) eines Ionenkanals zur Folienoberfläche dabei jedoch jeweils in alle Richtungen mindestens 45°. Bevorzugt weisen mehr als 50% aller Ionenkanäle einen Winkel von weniger als 70° zur Folienoberfläche auf. Der Winkel der Ionenkanäle 43 zur Folienoberfläche bestimmt sich dabei jeweils während der Ionenbestrahlung durch die Richtung des Ionendurchtritts durch die Folie hindurch. Dadurch, dass die Ionenkanäle 43 jeweils schief zueinander verlaufen, ist sichergestellt, dass sich insbesondere bei einem Separator 40 mit einer hohen Porendichte die Querschnittsflächen von zwei oder mehr Poren nicht überschneiden und dass dadurch eine Pore mit einer vergrösserten Querschnittsfläche gebildet wird. Dies wäre dann möglich, wenn die Ionenkanäle parallel zueinander verlaufen würden. Zwar ist es möglich, dass sich die schräg zueinander verlaufenden Ionenkanäle 43 zum Beispiel an der Oberfläche, wie in Figur 5 mehrfach ersichtlich, oder auf einer anderen Ebene der Folie schneiden, das heisst an einer Stelle eine zumindest teilweise überlappende Querschnittsfläche aufweisen. Aufgrund der schrägen, zufälligen Anordnung verlaufen die Ionenkanäle 43 ausserhalb dieses gemeinsamen Schnittpunktes dann aber unabhängig voneinander und in verschiedene Richtungen. Die für einen Ionendurchtritt massgebende Querschnittsfläche ist also weiterhin durch den Durchmesser des einzelnen Ionenkanals gegeben und nicht durch die gemeinsame Querschnittsfläche an einem Schnittpunkt mit einem anderen Ionenkanal bestimmt. Durch den jeweils unterschiedlich schrägen Verlauf der lonenkanäle 43 kann also die Querschnittsfläche der Poren genau definiert, und die Streuung dieser Querschnittsfläche von Poren über den gesamten Separator 40 erheblich tiefer gehalten werden.
Die Ionenkanäle 43 können derart ausgebildet sein, dass sie im Bereich ihrer Öffnungen, mit welchen sie an den beiden Folienoberflächen nach aussen hin münden, trichterförmig ausgebildet sind, wobei sie sich nach aussen hin konisch aufweiten. Die Ionenkanäle können dabei zu beiden Seiten der Folie hin derartige trichterförmige Öffnungen aufweisen, also doppelkonisch sein und eine Art„Sanduhrgestalt" haben. Der Eintritt eines Ions in einen Ionenkanal 43 hinein wird dadurch erleichtert. Eine derartige doppelkonische Gestalt eines Ionenkanals 43 wird während dem Ätzvorgang ausgebildet, da die Ätzchemikalie eine gewisse Zeitdauer benötigt, um in die Ionenkanäle einzudringen und diese auszubilden. Die Ätzchemikalie wirkt dadurch länger an der Oberfläche der Folie bzw. im Eingangsbereich der Ionenkanäle als im Innern der Ionenkanäle. Dies bewirkt das Ausbilden von sich nach aussen hin konisch aufweitenden Öffnungen der Ionenkanäle, was insbesondere bei verhältnismässig dickeren Separatorfolien mikroskopisch gut erkennbar ist.
Die Poren 43 haben vorteilhaft einen Durchmesser von 0.01 μπι bis 10 μπι, wobei der Separator 40 bevorzugt eine Porendichte von 10E5 bis 10E9 Poren pro cm2 aufweist.
In einem konkreten, bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist der Separator 40 aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt, wobei seine Oberfläche derart modifiziert ist, dass sie Eigenschaften aufweist, welche die Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten verbessern. Die Dicke des Separators 40 ist 23 ± 2 μπι, und der Porendurchmesser 0.2 ± 0.02 μπι. Die Dichte der Poren beträgt 320 ± 40 *10E6 Poren pro cm . Als Kennwert in Bezug auf seine Ionendurchlässigkeit erlaubt ein derartiger Separator pro cm einen Luftdurchsatz von mehr als 2.5 Litern pro Minute und pro bar. Der Berstdruck des Separators liegt dabei bei mehr als 0.95 bar, und der Separator weist eine Temperaturbeständigkeit bis über 220° C auf.
Der derart ausgebildete Separator 40 weist eine Porosität von ca. 12 % auf. Dieser Wert ist im Vergleich zu Separatoren des Standes der Technik, welche beispielsweise auf Polyolefinen oder beschichteten PET- Vliesen basieren, sehr tief. Trotzdem ist die Ionendurchlässigkeit beim vorliegenden Separator im Vergleich zu den Separatoren des Standes der Technik insbesondere bezüglich der pro Zeiteinheit durchgelassenen Ionen erheblich verbessert. Dies kann mit der speziellen, geradlinigen und rohrförmigen Porenstruktur des beschriebenen Separators 40, wie in den Figuren 5 und 6 gezeigt, im Vergleich zur Porenstruktur von herkömmlichen Separatoren erklärt werden. Eine derartige Porenstruktur eines Separators 40' aus dem Stand der Technik ist in der Figur 7 in der Draufsicht und in der Figur 8 im Querschnitt gezeigt. Zur Herstellung der Poren wird das Separatormaterial, welches hier auf Polyolefinen basiert, in einem Reckverfahren auseinandergezogen, wodurch sich eine fibrillenartig schwammförmige Struktur bildet. Der Feststoff 42' bildet dadurch eine Vielzahl von Inseln, welche wie in der Figur 7 ersichtlich über eine Vielzahl von Ästen miteinander verbunden sind. In den Zwischenräumen sind die Poren 43' ausgebildet. Diese Poren 43' weisen aber nicht eine zylinderförmige, geradlinige Struktur auf, sondern sind durch stark verwinkelte und zufällige Wege durch die verästelte Struktur des Separator-Feststoffes 42' hindurch gebildet. Ein Durchtrittsweg für ein Ion von der einen auf die andere Seite des Separators 40' verlängert sich dadurch erheblich, und der Porendurchmesser ist nicht klar bestimmt und weist eine entsprechend grosse Streuung auf. Ausserdem wirkt sich hier die im Vergleich zu PET schlechtere Benetzbarkeit des auf Polyolefinen basierenden Materials als nachteilig auf die Eigenschaften des Separators aus.
Figur 9 zeigt schematisch eine mögliche Vorrichtung zur Herstellung von schräg zueinander geneigten Ionenkanälen in einer Folie. Die Vorrichtung weist eine Ionenquelle 200 auf, welche Ionen abgibt. Die Ionen werden innerhalb eines Magnetfeldes, welches in den Beschleunigungssektionen 220, 221, 222 und 223 gebildet wird, entlang einer Längachse in Richtung eines Targets beschleunigt, bei welchem es sich hier um eine Folie 260, insbesondere eine PET-Folie, handelt. Die magnetischen Feldstärken der Beschleunigungssektionen 220 bis 223 können dabei jeweils unterschiedlich sein und insbesondere von der Beschleunigungssektionen 220 bis zur Beschleunigungssektionen 223 kontinuierlich ansteigen. Die Energie der Ionen muss jedoch nach Durchlaufen der Beschleunigungssektionen 220 bis 223 auf jeden Fall genügend hoch sein, um das Target bzw. die Folie 260 zu durchdringen. Aufgrund der Länge der Beschleunigungssektionen 220 bis 223 ist gewährleistet, dass die Ionen innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches auf das Target treffen. Derartige Ionenbeschleuniger sind im Stand der Technik seit langem bekannt.
Zwischen der Ionenquelle 200 und den Beschleunigungssektionen 220 bis 223 ist ein sogenannter Wobbier 210 angeordnet, welcher dazu dient, den Ionenstrahl aufzufächern. Der Wobbier 210 umgibt den Ionenstrahl und setzt diesen dabei einem zeitlich variablen elektromagnetischen Feld aus. Eine Stromversorgung 250 versorgt den Wobbier dabei mit einer Wechselspannung. Dadurch, dass der Wobbier 210 den Ionenstrahl auffächert, treffen die Ionen nicht punktförmig an einer Stelle auf das Target, sondern sind über eine gewisse Breite oder Fläche gestreut. Die zu bestrahlende Folie 260 ist in der Wickelkammer 240 auf einer der Wickelrollen 241 aufgerollt und wird während der Ionenbestrahlung gemäss einem bewährten Verfahren kontinuierlich von der einen Wickelrolle 241 auf die andere Wickelrolle 241 umgewickelt. Die Folie 260 läuft dabei über eine zwischen den beiden Wickelrollen 241 angeordnete Umlenkrolle 242. Die Umlenkrolle 242 ist dabei genau auf der Längsachse des Ionenstrahls angeordnet. Die Folie 260 weist dadurch in demjenigen Bereich, wo sie vom Ionenstrahl beschossen wird, einen Radius entsprechend dem Radius der Umlenkrolle 242 auf, was in der Figur 10 gezeigt ist (Pfeile stellen den aufgefächerten Ionenstrahl dar). Dies bewirkt insbesondere, dass die Ionen die Folie 260 unter unterschiedlichen Winkeln durchdringen und dadurch Ionenkanäle mit unterschiedlichen Neigungen ausbilden. Die Folie ist hier somit bewusst derart zur Bestrahlungsrichtung der Ionen angeordnet, dass sie von den Ionen in unterschiedlichen Raumrichtungen durchdrungen wird. Alternativ oder zusätzlich dazu können natürlich auch die Ionen relativ zur Folienoberfläche abgelenkt werden. Dazu kann insbesondere ein Wobbier benutzt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Wobbier 210 auch tatsächlich dazu verwendet, den in Figur 10 dargestellten Effekt zu verstärken, indem der Wobbier 210 den Ionenstrahl derart auffächert, dass sich die einzelnen Ionen mit zumindest geringfügig unterschiedlichen Winkeln relativ zur Längsachse des Ionenstrahls durch die Beschleunigungssektionen 220- 223 bewegen.
Die Folie 260 wird während des Ionenbeschusses vorteilhaft mehrfach, insbesondere zumindest zweimal, über die Umlenkrolle 242 geführt bzw. von einer der Wickelrollen 241 auf die andere Wickelrolle 241 umgewickelt. Die Folie 260 wird dadurch mehrfach dem lonenbeschuss ausgesetzt. Vorteilhaft wird die Folie 260 dabei derart dem Ionenstrahl ausgesetzt, dass die entstehenden Ionenkanäle nicht nur entlang einer Dimension schräg zueinander verlaufen, sondern entlang von zwei Dimensionen jeweils unterschiedliche Neigungen zueinander aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit, dass parallele Ionenkanäle mit teilweise überlappenden Querschnittsflächen auftreten, kann dadurch weiter verringert werden. Um dies zu erreichen, kann die Folie 260 beispielsweise für einen erneuten lonenbeschuss in einer unterschiedlichen Orientierung über die Umlenkrolle 242 geführt werden. Der Ionen können aber z.B. auch bewusst in senkrecht zueinander stehende Raumrichtungen abgelenkt und somit zweidimensional aufgefächert werden. Verschiedene Möglichkeiten sind hierzu denkbar.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehende Ausführungsbeispiel beschränkt, und eine Vielzahl von Abwandlungen ist möglich. Insbesondere muss es sich bei der Batterie nicht um eine Lithium-Ionen Batterie handeln. Es muss auch nicht zwingend um eine Sekundärbatterie handeln. Der elektrochemische Energiespeicher könnte genauso gut als eine Primärbatterie ausgebildet sein. Die positive bzw. negative Elektrode wäre in einem solchen Fall entsprechend aus einem anderen, dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannten Material hergestellt. Ebenso würde dann der Elektrolyt eine andere chemische Zusammensetzung aufweisen und es wären dann entsprechend nicht Lithium-Ionen, sondern andere Ionen am Ionen-Transport durch den Separator hindurch beteiligt. Der Separator wäre in einem solchen Fall natürlich an den speziellen Batterietyp und insbesondere die Eigenschaften der durchzulassenden Ionen angepasst. Ausserdem kann die Batterie beispielsweise eine andere Bauform als die beschriebene zylindrische haben und zum Beispiel als Knopfzelle, Flachbatterie oder als ein Block ausgestaltet sein. Weiters kann die Batterie einen Separator aufweisen, der weitere Oberflächenbeschichtungen zum Verbessern seiner physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aufweist. Eine Vielzahl weiterer Abwandlungen ist möglich.
BEZUGSZEICHENLISTE Gehäuse 80 Negativer Pol
Positiv geladene Elektrode 90 Sicherheitsventil
Elektrodenfolie 100 Thermistor
Elektrodenanschluss 110 Dichtung
Negativ geladene Elektrode 200 Ionenquelle
Elektrodenfolie 210 Wobbier
Elektrodenanschluss 220, 221 , 222, 223
, 40', 40a, 40b Separator Beschleunigungssektion
Polymerkette 230 Bestrahlungskammer, 42' Feststoff 240 Wickelkammer
, 43' Pore 241 Wickelrollen
Anschlussstift 242 Umlenkrolle
Erster Isolator 250 Stromversorgung
Zweiter Isolator 260 Folie
Positiver Pol

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektrochemischer Energiespeicher mit einem Separator (40, 40a, 40b), wobei der elektrochemische Energiespeicher aufweist
eine positiv geladene Elektrode (20),
eine negativ geladene Elektrode (30), und
einen Elektrolyten,
wobei der Separator (40, 40a, 40b) die positiv geladene Elektrode (20) und die negativ geladene Elektrode (30) voneinander trennt und porös ausgebildet ist, und wobei der Separator (40, 40a, 40b) mindestens eine mikroporöse Folie aufweist, in welcher Ionenkanäle (43) ausgebildet sind, die unter anderem mittels einer Bestrahlung von Ionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ionenkanäle (43) jeweils in unterschiedlichen Winkeln zueinander stehen.
2. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss Anspruch 1, wobei die mikroporöse
Folie ausserdem mittels Ätzung hergestellt ist.
3. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die mikroporöse Folie mindestens teilweise aus Polyethylenterephthalat (PET) und insbesondere ausschliesslich aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt ist.
4. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Poren (43) der mikroporösen Folie jeweils als im Wesentlichen zylinderförmige Ionenkanäle ausgebildet sind.
5. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionenkanäle (43) jeweils zu beiden Seiten des Separators (40, 40a, 40b) hin eine Öffnung haben, welche sich nach aussen hin aufweitet.
6. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator (40, 40a, 40b) eine Dicke von 12 μπι bis 36 μπι aufweist.
7. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator (40, 40a, 40b) eine Dicke von 20 μπι bis 28 μπι aufweist.
8. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Separator (40, 40a, 40b) eine Modifizierung der Oberfläche aufweist, welche die Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten verbessert.
9. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Porosität des Separators (40, 40a, 40b) weniger als 30 % beträgt.
10. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss Anspruch 9, wobei die Porosität des Separators (40, 40a, 40b) weniger als 20 % beträgt.
11. Elektrochemischer Energiespeicher gemäss Anspruch 10, wobei die Porosität des Separators (40, 40a, 40b) weniger als 15 % beträgt.
12. Elektrochemischer Energiespeicher, gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die positiv geladene Elektrode (20) ein lithiumhaltiges Metalloxid aufweist und die negativ geladene Elektrode (30) dazu geeignet ist, Lithium- Ionen aufzunehmen und abzugeben.
13. Separator zur Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verwendung einer mikroporösen Folie als Separator (40, 40a, 40b) für elektrochemischen Energiespeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12.
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