Chinesisches Team entwickelt neuen hochtemperaturbeständigen Batterieseparator zur Verbesserung der Sicherheit von Lithiumbatterien

In letzter Zeit haben Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Lithiumbatterien – insbesondere das Potenzial für plötzliche hohe Temperaturen während des Ladevorgangs – große Aufmerksamkeit erregt. Ein Forschungsteam des Instituts für Moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat in Zusammenarbeit mit der Universität Lanzhou und dem Guangdong Provincial Laboratory of Advanced Energy Science and Technology ein innovatives Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Polyimid-Separatoren entwickelt. Diese Arbeit, die mit Hilfe der Ionenbahntechnologie durchgeführt und vom Lanzhou Heavy Ion Accelerator unterstützt wird, zielt darauf ab, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

Die Ergebnisse, die einen bedeutenden Fortschritt in der Batteriematerialwissenschaft darstellen, wurden in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht. Sowohl der Erstautor als auch der korrespondierende Autor kommen vom Institut für Moderne Physik.

Das Team erklärte, dass Separatoren wichtige Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien sind, da sie die Elektroden isolieren und gleichzeitig den Transport von Lithium-Ionen ermöglichen. Während kommerzielle Lithiumbatterien mittlerweile Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg erreichen, werden Sicherheitsaspekte mit höheren Energiedichten kritischer. Herkömmliche Polyolefin-Separatoren, denen es an thermischer Stabilität mangelt und die sich durch inkonsistente Porenstrukturen auszeichnen, neigen bei hohen Temperaturen zum Schrumpfen, was zu Kurzschlüssen führen kann.

Polyimid gilt aufgrund seiner hervorragenden thermischen Stabilität, hohen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit als ideales Material für sicherere Separatoren. Die Entwicklung von Polyimid-Separatoren mit gleichbleibenden Porenstrukturen ist für die Verbesserung der Batteriesicherheit unerlässlich.

Mit Hilfe der Ionenspurtechnologie entwickelte das Team ein neues Herstellungsverfahren für Polyimid-Separatoren. Diese Separatoren weisen erhebliche Vorteile gegenüber Polyolefin-Separatoren auf:

• Hohe mechanische Festigkeit: bis zu 150,6 MPa.
• Ausgezeichnete thermische Stabilität: kein Schrumpfen bei 450°C.
• Enge Porengrößenverteilung: Standardabweichung <6 %.
• Vertikal ausgerichtete Porenkanäle: Tortuosität = 1.

Unter Testbedingungen von 3 mA/cm² zyklierten symmetrische Lithiumzellen, die diese Separatoren verwendeten, 1.200 Stunden lang stabil und zeigten eine gleichmäßige Lithiumabscheidung, wodurch das Dendritenwachstum effektiv unterdrückt wurde. Darüber hinaus erreichten die mit den Separatoren ausgestatteten Lithium-Eisenphosphat-Pouch-Zellen 1.000 Zyklen bei Raumtemperatur mit einer Kapazitätserhaltungsrate von 73,25 % und arbeiteten zuverlässig bei 150 °C.

Diese Forschung bietet einen neuen Ansatz für die Entwicklung zuverlässiger, leistungsstarker Lithium-Ionen-Batterieseparatoren und Herstellungsprozesse und bietet einen vielversprechenden Weg zur Verbesserung der Batteriesicherheit.