1. Warum wird ein Keramikseparator benötigt?
Herkömmliche flüssige Batterieseparatoren (wie PE/PP) neigen bei hohen Temperaturen zum Schmelzen und Schrumpfen, was Kurzschlüsse zwischen den positiven und negativen Elektroden verursachen kann. Beispielsweise bergen die in herkömmlichen Lithiumbatterien verwendeten flüssigen Elektrolyte die Gefahr der Entflammbarkeit und des Auslaufens.
Festkörperbatterien verwenden zwar Festkörperelektrolyte, weisen aber dennoch eine hohe Grenzflächenimpedanz und das Risiko der Lithiumdendritenbildung auf. Die Einführung keramischer Separatoren behebt diese Probleme hingegen durch folgende Eigenschaften:
(1) Hohe Temperaturbeständigkeit:Keramische Werkstoffe (wie Aluminiumoxid und Böhmit) haben im Allgemeinen einen Schmelzpunkt von über 1.500 °C und können hohen Temperaturen über 300 °C standhalten, ohne auszufallen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Batterie auch unter extremen Bedingungen sicher und stabil bleibt.
(2) Durchstoßfestigkeit:Keramische Partikel besitzen eine hohe Härte (Böhmit hat eine Mohs-Härte von 3,5), wodurch das Durchdringen von Lithiumdendriten wirksam verhindert werden kann.
(3) Chemische Stabilität:Es ist mit Festkörperelektrolyten kompatibel, vermeidet Nebenreaktionen und verlängert die Lebensdauer der Batterie erheblich.
(4) Funktionale Zusammensetzung:Einige keramische Werkstoffe (wie z. B. LATP) weisen zudem Ionenleitfähigkeit auf, wodurch die Grenzflächenimpedanz optimiert werden kann. Diese Eigenschaften machen keramische Separatoren zu einer unverzichtbaren Kernkomponente von Festkörperbatterien.
2. Materialarten und Strukturprozesse von Keramikseparatoren
(1) Materialarten:
Aluminiumoxidkeramik, Verbundkeramik, Nanokeramik.
(2) Strukturen:
Beschichtete Keramikseparatoren: Auf die Oberfläche von Membranen auf Polyolefinbasis (PE/PP) wird eine Keramikschicht mit einer Dicke von 500 nm - 4 μm aufgebracht, wodurch die Hitzebeständigkeit erhöht wird (Temperaturbeständigkeit > 200°C).
Komposit-Keramikseparatoren: Keramikpartikel werden mit Polymerelektrolyten vermischt, um ein dreidimensionales Ionenleitungsnetzwerk zu bilden.
Vollkeramische Festkörperelektrolyte: Keramiken vom NASICON-Typ (wie LLZO) oder vom Granat-Typ (wie LLTO) werden direkt als Separatoren verwendet, wodurch flüssige Elektrolyte vollständig entfallen.
(3) Prozesse:
Beschichtungsverfahren: Zur Erzielung einer gleichmäßigen ein- oder beidseitigen Beschichtung mit der Keramikschicht wird die mikrogeprägte Tiefdruckwalzenbeschichtung oder die Schlitzdüsenextrusionsbeschichtung eingesetzt. So lässt sich beispielsweise die Dicke der Böhmit-Beschichtung präzise auf 1–2 µm einstellen, wodurch ein optimales Verhältnis zwischen Sicherheit und Energiedichte erreicht wird.
Sintertechnologie: Durch Hochtemperatursintern (800-1200°C) werden die Keramikpartikel fest mit der Basismembran verbunden, wodurch eine dichte Schicht entsteht.
Grenzflächenregulierung: Künstliche SEI-Filme oder schnelle Ionenleiter (wie z. B. LiTFSI) werden zwischen der Keramikschicht und der Elektrode eingebracht, um die Grenzflächenimpedanz zu reduzieren.