WO2015139894A1 - Separator für eine galvanische zelle, galvanische zelle umfassend den separator, batterie enthaltend wenigstens zwei galvanische zellen, mobile konsumer-geräte und kraftfahrzeug mit der batterie - Google Patents

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separator
fiber
battery
lithium
biopolymer
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Hideki Ogihara
Nikolaos Tsiouvaras
Thomas Wöhrle
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Galvanic cells such as batteries, or rechargeable batteries are often used as energy ⁇ memory in numerous applications, such as
  • electrochemical base is stored by conversion of chemical into electrical energy.
  • the medium, between the two electrodes must have at least two functions
  • One function is to store and hold the electrolyte while ensuring ionic conductivity within the electrodes and between the anode and cathode.
  • Separators is to electrically isolate the two electrodes from each other to avoid short circuits.
  • separators which are both continuous for the ions of the electrolyte solution, as well as electrically isolating the electrodes from each other, polymer membranes are used, which may consist of polyethylene or crystalline polyolefin.
  • these separators are inexpensive, but have only a weak thermal and mechanical stability, wherein they are deformed above 90 ° and melting above 130 ° already the polymer membrane is used.
  • polymembranes based on polyethylene and polypropylene are not
  • lithium anodes are a preferable anode material from the basic structure of a lithium ion secondary battery, they are not used together with these separators.
  • separators made from polyimides are known (commercially available under the trade name Energain® from Dupont). Such separators are mechanically and thermally more stable, but are very expensive.
  • the object of the present invention is to provide a separator associated with fewer disadvantages than the conventional separators.
  • the invention according to claim 1 is a
  • Separator for a galvanic cell comprising: a nonwoven having at least one nonwoven layer comprising
  • the first fiber comprises or is made of a biopolymer
  • the second fiber is a plastic with a
  • the invention thus relates to a nonwoven, a fabric of fibers together, which are interconnected by internal adhesion, for example by fusion under pressure.
  • the position of the various fibers in a nonwoven fabric is statistically distributed.
  • Nonwoven fabrics can be produced, for example, by a spinning and nonwoven forming process as well as by melt and dry spinning processes as well
  • a first fiber which comprises or is manufactured from a biopolymer.
  • Biopolymers are naturally occurring polymers synthesized by cells, as well as polymers which can be formed by derivatization from the biopolymers.
  • the biopolymers are polar polymers which have high surface ⁇ voltages.
  • a second fiber is furthermore used which comprises or is even made from a polar plastic having a surface tension of at least 30 mN / m, preferably at least 36 mN / m.
  • plastics are understood to mean synthetically produced polymers which thus do not occur in nature. These polymers are due to their good polarity and high Surface tensions well suited to be wetted by the polar, non-aqueous electrolyte solutions of the galvanic cells.
  • the plastics of the second fibers have high surface tensions of at least 30 mN / m, which are higher than the surface tensions of polyolefinic plastics such.
  • PE polyethylene
  • PE polyethylene
  • Polypropylene (PP).
  • the surface tension of PE is between 33 and 35 mN / m, of polytetrafluoroethylene 19.1 mN / m, and the surface tension of PP is about 29 mN / m.
  • the surface tension of the fibers which is a measure of the polarity of the fibers, can be achieved, for example
  • the present nonwovens are well wettable by the electrolyte solution, but are still cheaper due to the cheap biopolymers than the already mentioned above, conventional high-quality nonwovens consist of polyimide.
  • the advantageous properties of the biopolymers and the polar plastics are combined in a single nonwoven layer.
  • Nonwoven layer include or a sequence of several
  • the surface tension of the first fiber comprising the biopolymer may be at least equal to the surface tension of the second fiber.
  • the second fiber has a shrinkage behavior at 130 ° C of not more than 2%, preferably at most 1%.
  • the shrinkage behavior can be determined by heating a rectangular sample of a fleece made of the polymer material of the fiber in DIN A4 format and its
  • the biopolymer of the first fiber may be selected from cellulose, polylactide (polylactic acid), polyhydroxybutyrate, chitin, starch and combinations thereof. Such biopolymers also have high surface tensions of about 48 mN / m for cellulose and 40-44 mN / m for
  • regenerated fibers which consist of
  • biopolymers may be, for example, viscose obtained from pure cellulose, modal made by a modified viscose process, lyocell by a wet-spinning process
  • Cellulose acetate (Cellulose acetate). These are spun in a dry-spinning process from acetone-dissolved cellulose acetate.
  • Such biopolymers can be converted, for example by melt or solution spinning process ⁇ in fibers may have from ⁇ 1 ym for example, particularly small thicknesses. Furthermore, these biopolymers are polar enough and have a sufficient surface tension of at least 39 mN / m, preferably at least 42 mN / m, so that they can be wetted well by the polar nonaqueous solvents of the electrolyte solutions of the galvanic cell.
  • the plastic of the second fiber may in particular be selected from polyamides, polyimides, polyesters, as well as any desired combinations of said plastic groups.
  • the polyamides (PA) can be, for example, aromatic polyamides
  • poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) and aliphatic polyamides include, the polyester, for example, polyethylene terephthalate (PET) or polyethylene naphthalate
  • the aramids have a high thermal and mechanical stability.
  • Such plastics have a sufficient surface ⁇ tension and excellent mechanical strength and a low shrinkage behavior at 130 ° C and are therefore particularly suitable for highly wettable by the electrolyte to form mechanically stable nonwoven fabrics in combination with the biopolymers of the first fiber.
  • these plastics are more mechanically stable than polyolefins and can also be prepared by conventional spinning processes. For example, wet and dry spinning methods are formed into fibers.
  • such plastics also have high surface tensions due to their high
  • polyimides have surface stresses of about 46 mN / m
  • nylon as an example of a polyamide has a surface tension of 41.4 mN / m
  • PET has a surface tension of 40.9 mN / m.
  • the surface tension of the nonwoven fabrics according to the invention can be set particularly easily. This can then be in particular at least 39 mN / m, more preferably at least 42 mN / m, since then the wetting ability is particularly well given by the electrolyte.
  • the thickness of the first fiber of the biopolymer may be different from the thickness of the second fiber of the plastic.
  • the thickness of the first fiber of the biopolymer may be ⁇ 1 ⁇ m
  • the thickness of the plastic fiber for example polyamide (nylon)
  • polyamide for example polyamide (nylon)
  • Porosity of separators of the invention are particularly easy to set. With otherwise constant parameters of the fibers decreases with a higher proportion of thicker fibers, the porosity, while increasing with the proportion of
  • the porosity of the separators may be between 20 to 75%, preferably between 30 to 70%. On the one hand, such values ensure that the pores are particularly simple
  • Electrolyte solution can accumulate, so that through the separator through an ion conductivity is given, but on the other hand, also ensure a high mechanical stability.
  • possible lithium dendrites that can grow from the anode in the case of lithium anodes can not pierce the separator.
  • the porosity of the separators can be determined, for example, by measuring the air permeability of the separators with a Gurley densometer using methods known to the person skilled in the art, for example according to ANSI T460 (American
  • this has a so-called "labyrinth porosity" in which the thickness of the separator is smaller than the mean free path of the ions of the electrolyte solution through the separator.
  • the advantage of such separators is that the formation of For example, separators having "labyrinth porosity" can be made by packing the fibers so tightly in the manufacture of the nonwoven fabric that no breakthroughs are present in the nonwoven material.
  • the first fiber comprises
  • Cellulose or is made of it and the second fiber comprises polyimide as plastic or is made of polyimide
  • a particularly preferred embodiment of a separator according to the invention consists of 50% by volume of cellulose and 50% by volume of polyimide.
  • a separator according to the invention in each case more than one biopolymer can be used for the first fiber and / or more than one plastic for the second fiber.
  • porosity and the surface tension can be set even more accurately.
  • the present invention furthermore relates to a galvanic cell, for example a battery or a rechargeable battery, which comprises an anode and a cathode and an electrolyte and an anode to a cathode
  • a galvanic cell for example a battery or a rechargeable battery, which comprises an anode and a cathode and an electrolyte and an anode to a cathode
  • the separators of the invention may be used for lithium-ion secondary batteries and lithium-ion secondary batteries, wherein the anode comprises lithium or graphite and the cathode comprises lithiated transition metal oxides (eg, cobalt or nickel) or lithiated olivines or a lithiated spinel.
  • the anode can in particular
  • the cathode may, for example, LiCo0 2 , Li i0 2 , LiFePC> 4 or
  • LiMn 2 04 include.
  • the anode for example, also consists of lithium metal or this includes. Due to the high puncture resistance of the
  • separators according to the invention can not pierce the separator and thus cause no short circuit possible lithium dendrites that can form in a lithium anode.
  • lithium ion secondary salts such as lithium hexafluorophosphate LiPF6, lithium tetrafluoroborate L1BF 4 and, as solvents, aprotic polar solvents, eg.
  • ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate for example.
  • the subject matter of the present invention is furthermore a battery which contains at least two galvanic cells as already described above which are electrically connected to one another
  • Lithium ion accumulators due to their high
  • batteries according to the invention can also be used in mobile devices, in particular also the mobile consumer devices, such as notebooks, mobile phones or tablet PCs in the consumer sector.
  • FIG. 1 schematically shows a lithium-ion battery 4 with an anode 5 and a 6 against ⁇ opposite cathode between the electrodes, a separator 1 is arranged, comprising a nonwoven layer in the first fibers 2, indicated as black fiber bundle and second fibers 3 , indicated as gray fiber bundles as
  • the separator 1 also absorbs the nonaqueous, aprotic and polar electrolyte solution 7, which ionically connects the two electrodes 5 and 6 and is present between the electrodes.
  • Such a lithium-ion battery has due to the invention

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Abstract

Separator für eine galvanische Zelle, galvanische Zelle umfassend den Separator, Batterie enthaltend wenigstens zwei galvanische Zellen, mobile Konsumer-Geräte und Kraftfahrzeug mit der Batterie Die Erfindung stellt einen Separator 1 für eine galvanische Zelle 4 zur Verfügung. Dieser umfasst: - ein Vlies mit zumindest einer ersten 2 und zweiten Faser 3, wobei die erste Faser 2 ein Biopolymer umfasst oder daraus gefertigt ist und - die zweite Faser 3 einem Kunststoff mit einer Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m, bevorzugt zumindest 36 mN/m umfasst oder daraus gefertigt ist. Ein derartiger Separator ist kostengünstiger als herkömmliche Separatoren, aber gleichzeitig gut von polaren Elektrolytlösungen benetzbar.

Description

Beschreibung
Separator für eine galvanische Zelle, galvanische Zelle umfassend den Separator, Batterie enthaltend wenigstens zwei galvanische Zellen, mobile Konsumer-Geräte und Kraftfahrzeug mit der Batterie
Galvanische Zellen, wie beispielsweise Batterien, oder wiederaufladbare Akkumulatoren werden häufig als Energie¬ speicher in zahlreichen Anwendungen, wie beispielsweise
Batterien in Kraftfahrzeugen oder als Energiespeicher in Elektroautos oder mobilen elektronischen Geräten eingesetzt. Diese galvanischen Zellen beinhalten einen Elektrolyten, der innerhalb bzw. zwischen zwei unterschiedlichen Elektroden, Anode und Kathode angeordnet ist, wobei Energie auf
elektrochemischer Basis durch Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie gespeichert wird. Das Medium, zwischen den beiden Elektroden muss wenigstens zwei Funktionen
erfüllen. Eine Funktion besteht darin, den Elektrolyten zu speichern und aufzunehmen und gleichzeitig eine ionische Leitfähigkeit innerhalb der Elektroden und zwischen der Anode und Kathode zu gewährleisten. Die weitere Funktion des
Separators besteht darin, die beiden Elektroden elektrisch voneinander zu isolieren, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Als sogenannte Separatoren, die sowohl durchgängig für die Ionen der Elektrolytlösung sind, als auch die Elektroden voneinander elektrisch isolieren, werden Polymermembranen verwendet, die aus Polyethylen oder kristallinem Polyolefin bestehen können. Diese Separatoren sind einerseits zwar kostengünstig, weisen aber nur eine schwache thermische und mechanische Stabilität auf, wobei sie oberhalb von 90° deformiert werden und oberhalb von 130° bereits ein Schmelzen der Polymermembran einsetzt. Insbesondere sind Polymembranen auf der Basis von Polyethylen und Polypropylen nicht
ausreichend durchstoßfest. Dies hat zur Folge, dass bei aus Lithiummetall bestehenden Anoden, auf denen Lithium in der Form von Dendriten abgeschieden wird, der Separator von diesen Dendriten unter Verursachung eines inneren
Kurzschlusses durchstoßen werden kann. Daher werden Lithium- Anoden, obwohl sie vom prinzipiellen Aufbau eines Lithium- Ionen-Akkumulators her ein bevorzugtes Anodenmaterial sind, nicht zusammen mit diesen Separatoren verwendet.
Separatoren auf der Basis von Polyethylen oder Polypropylen weisen weiterhin nur unzureichende BenetZungseigenschaften für die nichtwässrigen, polaren Elektrolytlösungen auf, was deren Einsatz für galvanische Zellen weiter verkompliziert.
Weiterhin sind Separatoren, die aus Polyimiden hergestellt werden, bekannt (kommerziell erhältlich unter dem Markennamen Energain® von Dupont) . Derartige Separatoren sind mechanisch und thermisch stabiler, sind aber sehr teuer.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Separator bereitzustellen, der mit weniger Nachteilen als die herkömmlichen Separatoren verbunden ist. Eine derartige
Aufgabe wird mittels eines Separators nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Separators sowie eine galvanische Zelle umfassend den Separator, eine
Batterie, in der die galvanischen Zellen verschaltet sind, sowie ein Kraftfahrzeug mit der Batterie sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
Gegenstand der Erfindung nach Patentanspruch 1 ist ein
Separator für eine galvanische Zelle, umfassend: - ein Vlies mit zumindest einer Vliesschicht, aufweisend
- zumindest eine erste und zweite Faser,
- wobei die erste Faser ein Biopolymer umfasst oder daraus gefertigt ist und
- die zweite Faser einen Kunststoff mit einer
Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m, bevorzugt zumindest 36 mN/m umfasst oder daraus gefertigt ist.
Die Erfindung betrifft somit ein Vlies, einem Stoff aus zusammenliegenden Fasern, die durch fasereigene Haftung, beispielsweise durch Verschmelzen unter Druck miteinander verbunden sind. Die Lage der verschiedenen Fasern in einem Vliesstoff ist dabei statistisch verteilt. Vliese können beispielsweise durch einen Spinn- und Vlies-Bildungsprozess sowie durch Schmelz- und Trockenspinnverfahren als auch
Naßspinnverfahren hergestellt werden.
Im erfindungsgemäßen Vlies wird eine erste Faser verwendet, die ein Biopolymer umfasst oder daraus gefertigt ist.
Biopolymere sind dabei in der Natur vorkommende, von Zellen synthetisierte Polymere, sowie Polymere, die durch Derivati- sierung aus den Biopolymeren gebildet werden können. Die Biopolymere sind dabei polare Polymere, die hohe Oberflächen¬ spannungen aufweisen.
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Vliesstoffs wird weiterhin eine zweite Faser verwendet, die einem polaren Kunststoff mit einer Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m, bevorzugt zumindest 36 mN/m umfasst oder sogar aus diesen gefertigt ist. Unter Kunststoffen werden im Unterschied zu Biopolymeren dabei synthetisch gefertigte Polymere verstanden, die somit in der Natur nicht vorkommen. Diese Polymere sind aufgrund ihrer guten Polarität und hohen Oberflächenspannungen gut geeignet, von den polaren, nicht- wässrigen Elektrolytlösungen der galvanischen Zellen benetzt zu werden. Die Kunststoffe der zweiten Fasern weisen dabei hohe Oberflächenspannungen von zumindest 30 mN/m auf, die höher sind also die Oberflächenspannungen von polyolefi- nischen Kunststoffen, wie z. B. Polyethylen (PE) oder
Polypropylen (PP) . Die Oberflächenspannung von PE beträgt zwischen 33 und 35 mN/m, von Polytetrafluorethylen 19,1 mN/m, und die Oberflächenspannung von PP beträgt etwa 29 mN/m.
Die Oberflächenspannung von den Fasern, die ein Maß für die Polarität der Fasern ist, kann beispielsweise dadurch
gemessen werden, dass Rechteckplatten aus den Kunststoffen der Faser hergestellt werden und deren Oberflächenspannung nach deutscher Industrienorm DIN ISO 8296 mit entsprechenden Testtinten bestimmt wird.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Kombination der ersten Faser mit dem Biopolymer und der zweiten Faser mit dem polaren Kunststoff in einer Vliesschicht sind die vorliegenden Vliese gut durch die Elektrolytlösung benetzbar, sind aber aufgrund der günstigen Biopolymere dennoch kostengünstiger als die bereits oben erwähnten, herkömmlichen hochwertigen Vliesstoffe, die aus Polyimid bestehen. Es werden somit die vorteilhaften Eigenschaften der Biopolymere und der polaren Kunststoffe in einer einzigen Vliesschicht vereint.
Erfindungsgemäße Separatoren können dabei nur eine
Vliesschicht umfassen oder auch eine Abfolge mehrerer
Vliesschichten .
Insbesondere kann die Oberflächenspannung der ersten Faser, umfassend das Biopolymer zumindest gleich groß sein, wie die Oberflächenspannung der zweiten Faser. Weiterhin bevorzugt weist die zweite Faser ein Schrumpfverhalten bei 130 °C von maximal 2%, bevorzugt maximal 1% auf. Das Schrumpfverhalten kann dadurch bestimmt werden, dass eine rechteckige Probe eines Vlies aus dem Polymermaterial der Faser im DIN A4 Format erhitzt wird und dessen
Längenunterschied vor und nach dem Erhitzen auf 130°C für 1 Std. unter Luft mittels beispielsweise eines Lineals bestimmt wird. Separatoren mit derartigen zweiten Fasern weisen überraschenderweise ähnliche mechanische Eigenschaften auf, wie die herkömmlichen hochpreisigen Separatoren auf der Basis von Polyimiden, sind aber nach wie vor aufgrund der
zusätzlichen ersten Faser mit den Biopolymeren günstiger.
Weiterhin kann das Biopolymer der ersten Faser ausgewählt sein aus Cellulose, Polylactid (Polymilchsäure) , Polyhydroxy- butyrat, Chitin, Stärke und Kombinationen davon. Derartige Biopolymere haben ebenfalls hohe Oberflächenspannungen von ungefähr 48 mN/m für Cellulose und 40-44 mN/m für
Polymilchsäure .
Als Derivate von Biopolymeren können beispielsweise so¬ genannte Regeneratfasern eingesetzt werden, die aus
nachwachsenden Rohstoffen, vor allen aus Cellulose
hergestellt werden. Diese Biopolymere können beispielsweise Viskose sein, das aus reiner Cellulose gewonnen wird, Modal, das nach einem modifizierten Viskoseverfahren hergestellt wird, Lyocell, das mittels eines Naßspinnverfahrens
hergestellt wird, wobei als Lösungsmittel N-Methylmorpholin- N-Oxidmonohydrat verwendet wird, sowie Cupro, das nach dem Kupferoxid-Ammoniak-Verfahren hergestellt wird. Weitere Derivate von Biopolymeren sind Acetat-Fasern
(Celluloseacetat ) . Diese werden in einem Trockenspinnverfahren aus in Aceton gelöstem Celluloseacetat ersponnen.
Derartige Biopolymere können beispielsweise durch Schmelz¬ oder Lösungsspinn-Verfahren in Fasern überführt werden, die beispielsweise auch besonders kleine Dicken von < 1 ym aufweisen können. Weiterhin sind diese Biopolymere polar genug und weisen eine ausreichende Oberflächenspannung von zumindest 39 mN/m, bevorzugt zumindest 42 mN/m auf, sodass sie gut von den polaren nichtwässrigen Lösungsmitteln der Elektrolytlösungen der galvanischen Zelle benetzt werden können .
Der Kunststoff der zweiten Faser kann insbesondere ausgewählt sein aus Polyamiden, Polyimiden, Polyestern, sowie beliebigen Kombinationen dieser genannten Kunststoffgruppen . Die Polyamide (PA) können beispielsweise aromatische Polyamide
(Aramide) , z. B. Poly (p-phenylenterephthalamide) (PPTA) und aliphatische Polyamide umfassen, die Polyester beispielsweise Polyethylentherephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat
(PEN) . Insbesondere die Aramide weisen eine hohe thermische und mechanische Stabilität auf.
Derartige Kunststoffe weisen eine ausreichende Oberflächen¬ spannung und hervorragende mechanische Festigkeit sowie ein geringes Schrumpfungsverhalten bei 130 °C auf und sind daher besonders dafür geeignet, durch den Elektrolyten gut benetzbare, mechanisch stabile Vliesstoffe in Kombination mit den Biopolymeren der ersten Faser zu bilden. Diese Kunststoffe sind insbesondere mechanisch stabiler als Polyolefine und können ebenfalls mittels herkömmlicher Spinnverfahren, beispielsweise Naß- und Trockenspinnverfahren zu Fasern ausgebildet werden. Weiterhin weisen derartige Kunststoffe auch hohe Oberflächenspannungen aufgrund ihrer hohen
Polarität auf. Beispielsweise haben Polyimide Oberflächen¬ spannungen von ungefähr 46 mN/m, Nylon als ein Beispiel eines Polyamids eine Oberflächenspannung von 41,4 mN/m und PET eine Oberflächenspannung von 40,9 mN/m.
Durch Kombination von Biopolymeren unterschiedlicher Oberflächenspannung mit Fasern eines Kunststoffes mit einer anderen Oberflächenspannung lässt sich die Oberflächenspannung der erfindungsgemäßen Vliesstoffe besonders einfach einstellen. Diese kann dann insbesondere zumindest 39 mN/m, weiter bevorzugt mindestens 42 mN/m betragen, da dann die Benetzungsfähigkeit durch den Elektrolyten besonders gut gegeben ist.
Bei erfindungsgemäßen Separatoren können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Dicke der ersten Faser des Biopolymers unterschiedlich zur Dicke der zweiten Faser des Kunststoffs sein. Beispielsweise kann die Dicke der ersten Faser des Biopolymers < 1 ym betragen, während die Dicke der Kunststofffaser, beispielsweise Polyamid (Nylon) , eine Dicke von < 10 ym aufweisen kann. Durch diese unterschiedlichen Dicken kann durch geschickte Kombination der Fasern des
Biopolymers mit den zweiten Fasern des Kunststoffs die
Porosität von erfindungsgemäßen Separatoren besonders einfach eingestellt werden. Bei ansonsten gleichbleibenden Parametern der Fasern nimmt bei einem höheren Anteil von dickeren Fasern die Porosität ab, während sie mit steigendem Anteil von
Fasern, die dünner sind, zunimmt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Porosität der Separatoren zwischen 20 bis 75 %, bevorzugt zwischen 30 bis 70 % liegen. Derartige Werte stellen einerseits sicher, dass in den Poren sich besonders einfach
Elektrolytlösung ansammeln kann, sodass durch den Separator hindurch eine Ionenleitfähigkeit gegeben ist, stellen aber andererseits auch eine hohe mechanische Stabilität sicher. Somit können mögliche Lithium-Dendriten, die ausgehend von der Anode im Falle von Lithium-Anoden wachsen können, den Separator nicht durchstoßen. Die Porosität der Separatoren kann beispielsweise durch die Messung der Luftdurchlässigkeit der Separatoren mit einem Gurley-Densometer mit, dem Fachmann bekannten Methoden zum Beispiel nach ANSI T460 (American
National Standard Institute), bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators weist dieser eine sogenannte „Labyrinth-Porosität" auf, bei der die Dicke des Separators kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Ionen der Elektrolytlösung durch den Separator. Der Vorteil derartiger Separatoren besteht darin, dass die Bildung von Lithium-Dendriten vermindert bzw. ausgeschlossen wird. Separatoren mit „Labyrinth-Porosität" können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass beim Herstellen des Vliesstoffs die Fasern so dicht gepackt werden, dass keine Durchbrüche im Vliesmaterial vorhanden sind .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators umfasst die erste Faser
Cellulose oder ist aus ihr gefertigt und die zweite Faser umfasst Polyimid als Kunststoff oder ist aus Polyimid
gefertigt. Eine Kombination dieser beiden Polymere stellt auf besonders einfache Art und Weise sicher, dass der erfindungs- gemäße Separator mechanisch beständig, durchstoßfest, aufgrund der guten Oberflächenspannung aber gut durch die Elektrolytlösung benetzbar ist. Weiterhin ist ein derartiger Separator auch kostengünstiger herzustellen als herkömmliche Separatoren, die komplett aus Polyimid bestehen.
Dabei kann insbesondere der Anteil der Cellulose als
Biopolymer zwischen 30 bis 60 Vol.-% liegen und analog der Anteil des Polyimids zwischen 40 bis 70 Vol.-% betragen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators besteht aus 50 Vol.-% Cellulose und 50 Vol.-% Polyimid .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators können jeweils mehr als ein Biopolymer für die erste Faser und/oder mehr als ein Kunststoff für die zweite Faser verwendet werden. Durch Verwendung mehrerer
biopolymerer und/oder mehrerer Kunststoffe können die
relevanten technischen Parameter des Separators, wie
beispielsweise Porosität und die Oberflächenspannung noch genauer eingestellt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine galvanische Zelle, beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator, der eine Anode und Kathode umfasst sowie einen Elektrolyten und einen zwischen Anode und Kathode
angeordneten, wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Separator. Eine derartige galvanische Zelle ist aufgrund des günstigen Separators billiger als herkömmliche Zellen, weist aber dennoch aufgrund der guten Benetzbarkeit des erfindungs¬ gemäßen Separators sowie seiner mechanischen und thermischen Beständigkeit ausgezeichnete elektrische Parameter auf. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Separatoren für Lithiumionen-Akkumulatoren und Lithiumionen-Batterien verwendet werden, wobei die Anode Lithium oder Graphit und die Kathode lithiierte Übergangsmetalloxide (z. B. Kobalt oder Nickel) oder lithiierte Olivine oder einen lithiierten Spinell umfassen. Die Anode kann dabei insbesondere
Materialien aufweisen, die besonders einfach Lithiumionen interkalieren und deinterkalieren können, beispielsweise Graphit oder nanokristallines , amorphes Silizium, oder kann auch direkt Lithiummetall umfassen oder daraus bestehen. Die Kathode kann beispielsweise LiCo02, Li i02, LiFePC>4 oder
LiMn204 umfassen.
Weiterhin ist es aufgrund der hohen mechanischen Stabilität der erfindungsgemäßen Separatoren möglich, dass die Anode beispielsweise auch aus Lithium-Metall besteht oder dieses umfasst. Aufgrund der hohen Durchstoßfestigkeit der
erfindungsgemäßen Separatoren können mögliche Lithiumdendriten, die sich bei einer Lithiumanode bilden können, nicht den Separator durchstoßen und somit keinen Kurzschluss verursachen .
Als Elektrolyten können beispielsweise Lithiumionenleitsalze wie Lithiumhexafluorophosphat LiPF6, Lithiumtetrafluoroborat L1BF4 und als Lösungsmittel aprotische, polare Lösungsmittel, z. B. Ethylencarbonat , Propylencarbonat , Dimethylcarbonat oder beispielsweise Diethylcarbonat verwendet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Batterie, die wenigstens zwei galvanische Zellen wie bereits oben beschrieben enthält, die miteinander elektrisch
verschaltet sind. Dieses kann beispielsweise mittels einer elektrischen Parallel- oder Reihenschaltung realisiert werden. Derartige Batterien, beispielsweise
Lithiumionenakkumulatoren, können aufgrund ihrer hohen
Energiedichte besonders vorteilhafterweise auch als
Energieversorgung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise
Elektroautos, verwendet werden.
Mit Vorteil können erfindungsgemäße Batterien auch in mobilen Geräten, insbesondere auch den mobilen Endkundengeräten, wie beispielsweise Notebooks, Mobiltelefonen oder Tablet PCs im Konsumerbereich eingesetzt werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer galvanischen Zelle der Erfindung, eines Lithium-Ionen-Akkus anhand der Figur 1 näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch einen Lithium-Ionen-Akku 4 mit einer Anode 5 und einer gegen¬ überliegenden Kathode 6. Zwischen den Elektroden ist ein Separator 1 angeordnet, der eine Vliesschicht aufweist in der erste Fasern 2, angedeutet als schwarze Faserbündel und zweite Fasern 3, angedeutet als graue Faserbündel als
zusammenheftende Fasern mit statistischer Verteilung
vorhanden sind. Der Separator 1 nimmt gleichzeitig auch die nicht wässrige, aprotische und polare Elektrolytlösung 7 auf, die beide Elektroden 5 und 6 ionisch miteinander verbindet und zwischen den Elektroden vorhanden ist. Ein derartiger Lithium-Ionen-Akku weist aufgrund des erfindungsgemäßen
Separators eine erhöhte mechanische und thermische Stabilität sowie aufgrund der besseren Benetzbarkeit des Separators auch verbesserte elektrische Parameter gegenüber Akkus mit
Polyethylen oder Polypropylen als Separator auf. Weiterhin ist er günstiger herzustellen als Akkus, die hochwertige, polare Kunststoffe als Separatoren enthalten. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Separator (1) für eine galvanische Zelle (4), umfassend
- ein Vlies mit zumindest einer Vliesschicht, aufweisend
- zumindest eine erste (2) und zweite Faser (3),
- wobei die erste Faser (2) ein Biopolymer umfasst oder daraus gefertigt ist und die zweite Faser (3) einem Kunststoff mit einer Oberflächenspannung von zumindest 30 mN/m, bevorzugt zumindest 36 mN/m umfasst oder daraus gefertigt ist.
2. Separator nach dem vorhergehenden Patentanspruch,
wobei die zweite Faser ein Schrumpfverhalten bei 130°C von maximal 0,2 mm, bevorzugt maximal 0,01 mm aufweist
3. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Biopolymer der ersten Faser ausgewählt ist aus :
- Cellulose, Polylactid, Polyhydroxybutyrat , Chitin, Stärke und Kombinationen davon .
4. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Kunststoff der zweiten Faser ausgewählt ist aus :
- Polyamid (aromatisches Polyamid und aliphatisches Polyamid), Polyimid, Polyester und Kombinationen davon.
Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Oberflächenspannung von zumindest 39 mN/m aufweist .
6. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der ersten Faser des Biopolymers
unterschiedlich ist zur Dicke der zweiten Faser des Kunststoffs .
7. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Dicke der ersten Faser des Biopolymers < 100 ym, bevorzugt < 10 ym, am bevorzugtesten < 1 ym ist.
8. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
der eine Porosität zwischen 20 % bis 75 %, bevorzugt 30 % bis 70 % aufweist.
9. Separator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die erste Faser Cellulose als Biopolymer umfasst.
10. Separator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die zweite Faser Polyimid als Kunststoff umfasst.
11. Galvanische Zelle (4), umfassend eine Anode (5) und
Kathode (6), einen Elektrolyten (7), und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Separator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Galvanische Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch,
ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator, wobei die Anode Lithium umfasst und die Kathode ein Lithium-Ionen- Oxid umfasst.
13. Galvanische Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die Anode Lithiummetall umfasst oder daraus besteht .
14. Galvanische Zelle nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 11 bis 13,
wobei der Elektrolyt ein Lithium-Ionen Leitsalz und ein nichtwäßriges, polares Lösungsmittel umfasst.
15. Batterie, umfassend wenigstens zwei galvanische Zellen nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
die miteinander elektrisch verschaltet sind.
16. Kraftfahrzeug umfassend eine Batterie nach dem
vorhergehenden Anspruch.
17. Mobiles Gerät, umfassend eine Batterie nach Anspruch 14.
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