Keramikseparator: Der Wächter der Sicherheit von Festkörperbatterien
1. Warum wird ein Keramikabscheider benötigt?
Herkömmliche flüssige Batterieseparatoren (wie PE/PP) neigen bei hohen Temperaturen zum Schmelzen und Schrumpfen, was zu Kurzschlüssen zwischen den positiven und negativen Elektroden führt. Beispielsweise bergen die in herkömmlichen Lithiumbatterien verwendeten flüssigen Elektrolyte das Risiko der Entflammbarkeit und des Auslaufens.
Obwohl Festkörperbatterien Festkörperelektrolyte verwenden, weisen sie dennoch eine hohe Grenzflächenimpedanz und das Risiko der Lithiumdendritenpenetration auf. Die Einführung keramischer Separatoren hingegen behebt diese Schwachstellen durch folgende Eigenschaften:
(1)Hohe Temperaturbeständigkeit: Keramische Materialien (wie Aluminiumoxid und Böhmit) haben im Allgemeinen einen Schmelzpunkt von über 1.500 °C und können hohen Temperaturen über 300 °C ohne Ausfall standhalten, wodurch sichergestellt wird, dass die Batterie in extremen Umgebungen sicher und stabil bleibt.
(2)Durchstoßfestigkeit: Keramikpartikel weisen eine hohe Härte auf (Böhmit hat eine Mohshärte von 3,5), die das Durchstechen von Lithiumdendriten wirksam verhindern kann.
(3)Chemische Stabilität: Durch die Kompatibilität mit Festkörperelektrolyten werden Nebenreaktionen vermieden und die Lebensdauer der Batterie deutlich verlängert.
(4)Funktionale Verbundwerkstoffe: Einige Keramikmaterialien (wie LATP) verfügen zudem über eine Ionenleitfähigkeit, die die Grenzflächenimpedanz optimieren kann. Diese Eigenschaften machen Keramikseparatoren zu einem unverzichtbaren Kernbestandteil von Festkörperbatterien.
2. Materialarten und Strukturprozesse von Keramikseparatoren
(1) Materialarten:
Aluminiumoxidkeramik, Verbundkeramik, Nanokeramik.
(2) Bauwerke:
Beschichtete Keramikseparatoren: Auf die Oberfläche von Membranen auf Polyolefinbasis (PE/PP) wird eine 500 nm – 4 μm dicke Keramikschicht aufgebracht, die die Hitzebeständigkeit erhöht (Temperaturbeständigkeit ssssss 200°C).
Verbundkeramikseparatoren: Keramikpartikel werden mit Polymerelektrolyten zu einem dreidimensionalen Ionenleitungsnetzwerk vermischt.
Vollkeramische Festkörperelektrolyte: Keramiken vom Typ NASICON (z. B. LLZO) oder Granat-Typ (z. B. LLTO) werden direkt als Separatoren verwendet, wodurch flüssige Elektrolyte vollständig vermieden werden.
(3) Prozesse:
Beschichtungsverfahren: Mikrogravur-Rasterwalzenbeschichtung oder Schlitzdüsen-Extrusionsbeschichtung sorgen für eine gleichmäßige ein-/beidseitige Beschichtung der Keramikschicht. Beispielsweise lässt sich die Dicke der Böhmit-Beschichtung präzise auf 1–2 μm einstellen, um Sicherheit und Energiedichte optimal zu vereinen.
Sintertechnologie: Durch Hochtemperatursintern (800–1200 °C) werden Keramikpartikel fest mit der Basismembran verbunden, wodurch eine dichte Schicht entsteht.
Grenzflächenregulierung: Künstliche SEI-Filme oder schnelle Ionenleiter (wie LiTFSI) werden zwischen der Keramikschicht und der Elektrode eingebracht, um die Grenzflächenimpedanz zu verringern.