DE102009002680A1 - Production and use of ceramic composite materials based on polymer carrier film - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein keramisches Kompositmaterial (1), umfassend ein flächiges Trägersubstrat (2) und eine auf dem Trägersubstrat (2) aufgebrachte, keramische Partikel (3) aufweisende, poröse Beschichtung (4). Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein keramisches Kompositmaterial dieser Gattung unter Beibehaltung ihrer hohen thermischen und mechanischen Stabilität so weiterzubilden, dass es geringere Stärken erreicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein keramisches Kompositmaterial, bei deren Trägersubstrat (2) es sich um eine Polymerfolie (2) handelt, wobei das Trägersubstrat (2) mit einer Perforation versehen ist, welche aus einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Löcher (6) besteht, und wobei die Perforation zumindest auf einer Seite des Trägersubstrats (2) von der porösen Beschichtung (4) verdeckt ist.The invention relates to a ceramic composite material (1), comprising a planar carrier substrate (2) and a porous coating (4) applied to the carrier substrate (2) and comprising ceramic particles (3). The invention is based on the object to further develop a ceramic composite material of this genus while maintaining their high thermal and mechanical stability so that it achieves lower strengths. This object is achieved by a ceramic composite material, wherein the carrier substrate (2) is a polymer film (2), wherein the carrier substrate (2) is provided with a perforation, which consists of a plurality of regularly arranged holes (6), and wherein the perforation is obscured by the porous coating (4) at least on one side of the carrier substrate (2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Kompositmaterial, umfassend ein flächiges Trägersubstrat und eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte, keramische Partikel aufweisende, poröse Beschichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen keramischen Kompositmaterials sowie eine elektrochemische Zelle, die ein solches keramisches Kompositmaterial umfasst.The The present invention relates to a ceramic composite material. comprising a flat carrier substrate and a on the carrier substrate applied, ceramic particles having, porous coating. Furthermore, the invention relates a method for producing such a ceramic composite material as well an electrochemical cell containing such a ceramic composite material includes.
Unter dem Begriff „elektrochemische Zelle” im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein elektrischer Energiespeicher zu verstehen, der sowohl wiederaufladbar als auch nicht wiederaufladbar sein kann. Insoweit unterscheidet der Anmeldungstext nicht zwischen den Begriffen „Akkumulator/Sekundärbatterie” einerseits und „Batterie/Primärbatterie” andererseits. Unter dem Begriff „elektrochemische Zelle” im Sinne der Anmeldung fällt auch ein Kondensator. Eine elektrochemische Zelle versteht sich weiter als die minimale Funktionseinheit des Energiespeichers. In der technischen Praxis wird häufig eine Vielzahl elektrochemischer Zellen in Reihe oder parallel geschaltet, um die Gesamt-Energiekapazität des Speichers zu erhöhen. In diesem Zusammenhang spricht man von Mehrfachzellen. Eine technisch ausgeführte Batterie kann deswegen eine einzige oder eine Vielzahl parallel oder seriell geschaltete elektrochemische Zellen aufweisen. Da dies für die vorliegende Erfindung nicht relevant ist, werden die Begriffe „Batterie” und „elektrochemische Zelle” fortan synonym gebraucht.Under the term "electrochemical cell" in the sense The present application is an electrical energy storage to be understood, both rechargeable and non-rechargeable can be. In that regard, the notification text does not distinguish between the terms "accumulator / secondary battery" on the one hand and "battery / primary battery" on the other. Under the term "electrochemical cell" in the According to the application also falls a capacitor. An electrochemical Cell goes further than the minimum functional unit of the Energy storage. In technical practice is common a plurality of electrochemical cells connected in series or in parallel, to increase the total energy capacity of the store. In this context one speaks of multiple cells. A technical Running battery can therefore a single or a Variety of parallel or series connected electrochemical cells exhibit. As this is not the case for the present invention is relevant, the terms "battery" and "electrochemical Cell "henceforth used synonymously.
Hinsichtlich des Charakters einer Batterie wird zwischen Hochleistungsbatterien und Hochenergiebatterien unterschieden. Eine Hochleistungsbatterie ist ein Speicher, der seine elektrische Energie in besonders kurzer Zeit abgibt, er entwickelt hohe Entladungsströme. Eine Hochenergiebatterie hat auf ihr Gewicht bzw. ihr Volumen bezogen eine besonders große Speicherkapazität.Regarding The character of a battery is between high-performance batteries and high energy batteries distinguished. A high performance battery is a memory that stores its electrical energy in a particularly short time Gives off time, he develops high discharge currents. A High energy battery has related to their weight or their volume a very large storage capacity.
Die elektrochemische Zelle als elementare Funktionseinheit umfasst zwei gegenpolige Elektroden, nämlich die negative Anode und die positive Kathode. Beide Elektroden werden durch den zwischen den Elektroden angeordneten Separator gegen Kurzschluss voneinander isoliert. Die Zelle ist mit einem Elektrolyten – also einem flüssigen, gelartigen oder mitunter festen Ionenleiter – gefüllt. Der Separator ist ionendurchlässig und gestattet so einen Austausch von Ionen zwischen Anode und Kathode im Lade- bzw. Endladezyklus.The Electrochemical cell as an elementary functional unit comprises two opposite pole electrodes, namely the negative anode and the positive cathode. Both electrodes are separated by the Separator arranged against the electrodes against short circuit from each other isolated. The cell is with an electrolyte - so one liquid, gel or sometimes solid ion conductor - filled. The separator is ion-permeable and thus allows one Exchange of ions between anode and cathode in the charge or discharge cycle.
Herkömmlicherweise ist ein Separator ein dünner, poröser, elektrisch isolierender Stoff mit hoher Ionendurchlässigkeit, guter mechanischer Festigkeit und Langzeitstabilität gegen die im System, z. B. im Elektrolyten der elektrochemischen Zelle, verwendeten Chemikalien und Lösemittel. Er soll in elektrochemischen Zellen die Kathode von der Anode elektrisch völlig isolieren. Außerdem muss er dauerelastisch sein und den Bewegungen im System folgen, die nicht nur durch äußere Lasten, sondern auch durch „Atmen” der Elektroden beim Ein- und Auslagern der Ionen entstehen.traditionally, A separator is a thin, porous, electrical insulating material with high ion permeability, good mechanical strength and long-term stability against the in the system, eg In the electrolyte of the electrochemical cell Chemicals and solvents. He is supposed to be in electrochemical cells completely electrically insulate the cathode from the anode. In addition, he must be permanently elastic and the movements follow in the system, not only by external loads, but also by "breathing" the electrodes when Storage and removal of the ions occur.
Der
Separator bestimmt maßgeblich die Lebensdauer und die Sicherheit
einer elektrochemischen Zelle. Die Entwicklung wiederaufladbarer
elektrochemischer Zellen oder Batterien wird daher maßgeblich
durch die Entwicklung geeigneter Separatormaterialien beeinflusst.
Allgemeine Informationen über elektrische Separatoren und
Batterien können z. B. bei
Hochenergiebatterien werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, bei denen es darauf ankommt, eine möglichst große Menge an elektrischer Energie verfügbar zu haben. Hochenergiebatterien werden verwendet zum Antreiben von Fahrzeugen (Traktionsbatterien), bei der netzunabhängigen, stationären Strom-Versorgung mit Hilfe von Batterien (Auxillary Power Systems), bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung, bei der Bereitstellung von Regelenergie, für tragbare elektronische Geräte wie Laptops, Mobiltelefone und Kameras sowie für Elektrowerkzeuge. Die Energiedichte wird dabei häufig in gewichts- [Wh/kg] oder in volumenbezogenen [Wh/L] Größen angegeben. Augenblicklich werden in Hochenergiebatterien Energiedichten von 350 bis 400 Wh/L und von 150 bis 200 Wh/kg erreicht. Die abgefragte Leistung bei solchen Batterien ist nicht so groß, so dass man Kompromisse hinsichtlich des Innenwiderstandes machen kann. Das heißt, dass die Leitfähigkeit des mit Elektrolyt gefüllten Separators beispielsweise nicht so groß sein muss wie bei Hochleistungsbatterien, so dass dadurch auch andere Separatorkonzepte möglich werden.High energy batteries are used in various applications where it is on arrives, the largest possible amount of electrical To have energy available. Be high energy batteries used for driving vehicles (traction batteries) the off-grid, stationary power supply with the help of batteries (Auxillary Power Systems), in the case of uninterruptible Power supply, in the provision of control energy, for portable electronic devices such as laptops, mobile phones and Cameras and power tools. The energy density is often in weight [Wh / kg] or in volume [Wh / L] sizes indicated. Becoming instant in high energy batteries energy densities of 350 to 400 Wh / L and reached from 150 to 200 Wh / kg. The requested performance at such Batteries are not that big, so you can compromise on that of the internal resistance can do. That means that the Conductivity of the electrolyte-filled separator For example, it does not have to be as big as high-performance batteries, so that thereby also other Separatorkonzepte be possible.
So können bei Hochenergiesystemen auch Polymerelektrolyte eingesetzt werden, die mit 0,1 bis 2 mS/cm eine doch recht geringe Leitfähigkeit besitzen. Solche Polymerelektrolytzellen können jedoch nicht als Hochleistungsbatterien eingesetzt werden.So For high-energy systems, polymer electrolytes can also be used can be used, with 0.1 to 2 mS / cm but a very small Possess conductivity. Such polymer electrolyte cells however, they can not be used as high-performance batteries become.
Separatoren für die Anwendung in Hochleistungsbatteriesystemen müssen folgende Eigenschaften besitzen: Sie müssen möglichst dünn sein, um einen geringen spezifischen Platzbedarf zu gewährleisten, und um den Innenwiderstand klein zu halten. Um diese geringen Innenwiderstände zu gewährleisten ist es wichtig, dass der Separator auch eine große Porosität aufweist, denn eine große Porosität begünstigt die Ionendurchlässigkeit. Ferner müssen Separatoren leicht sein, damit ein geringes spezifisches Gewicht erreicht wird. Außerdem muss die Benetzbarkeit für Elektrolyt hoch sein, da sich sonst elektrolytfreie Totzonen bilden, welche den Innenwiderstand steigern.Separators for use in high-performance battery systems must have the following characteristics They must be as thin as possible, to ensure a low specific space requirement, and to keep the internal resistance small. In order to ensure these low internal resistances, it is important that the separator also has a high porosity, because a large porosity favors the ion permeability. Furthermore, separators must be light in order to achieve a low specific gravity. In addition, the wettability for electrolyte must be high, since otherwise form electrolyte-free dead zones, which increase the internal resistance.
In vielen, vor allem mobilen Anwendungen werden sehr große Energiemengen benötigt (z. B. in Traktionsbatterien für vollelektrische Fahrzeuge). Die Batterien in diesen Anwendungen speichern im vollgeladenen Zustand eine große Energiemenge, die bei einer Fehlfunktion der Batterie, wie z. B. Überladung oder Kurzschluss, bzw. bei einem Unfall nicht unkontrolliert freigesetzt werden darf, da dies unweigerlich zur Explosion von Zelle und Fahrzeug unter Feuererscheinung führen würde. Separatoren für Mobilanwendungen müssen deswegen besonders sicher sein, damit die Batterie eines verunfallten Fahrzeuges nicht explodiert.In many, especially mobile applications are very large Energy required (eg in traction batteries for fully electric vehicles). The batteries in these applications store a large amount of energy when fully charged, in case of malfunction of the battery, such. B. Overload or short circuit, or in an accident not uncontrollably released may be, as this inevitably leads to the explosion of cell and vehicle would result under fire phenomenon. separators for mobile applications must therefore special Be sure that the battery of a crashed vehicle is not exploded.
Wiederaufladbare Hochleistungsbatterien bzw. Hochenergiebatterien werden heute auf Lithium-Ionen-Basis aufgebaut. Da Lithium ein hochreaktives Metall ist und die Komponenten eines Lithium-Ionen-Akkus leicht brennbar sind, werden moderne Lithium-Ionen oder Lithium-Metall-Batterien bzw. Akkus hermetisch gekapselt. Solche Batteriezellen sind empfindlich gegen mechanische Beeinträchtigungen, welche beispielsweise zu inneren Kurzschlüssen führen können. Durch inneren Kurzschluss und in Kontakt mit Luft können sich Lithium-Ionen-Batterien bzw. Lithium-Metall-Batterien entzünden. Wegen ihrer außerordentlich hohen Speicherkapazität bei verhältnismäßig geringem Platzbedarf sind Batteriezellen auf Lithium-Ionen-Basis besonders für die Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge geeignet. Der Einbau von Batterien in Fahrzeuge stellt deshalb besondere Anforderungen an den Schutz der Batteriezellen gegen mechanische und thermische Beeinträchtigungen.rechargeable High-performance batteries and high-energy batteries are on today Built up lithium-ion base. Since lithium is a highly reactive metal is and the components of a lithium-ion battery easily flammable are modern lithium-ion or lithium-metal batteries or hermetically sealed batteries. Such battery cells are sensitive against mechanical impairments, which for example can lead to internal short circuits. By internal short circuit and in contact with air can Lithium-ion batteries or lithium-metal batteries ignite. Because of its extraordinarily high storage capacity with a relatively small footprint are lithium-ion-based battery cells especially for the manufacture of batteries suitable for electric vehicles. The installation of batteries in vehicles therefore makes special demands to protect the battery cells against mechanical and thermal damage.
Es ist leicht vorstellbar, dass für Elektrofahrzeuge Batterien bereitgestellt werden müssen, die eine verhältnismäßig hohe Speicherkapazität und eine verhältnismäßig große Klemmenspannung aufweisen. Insbesondere für die Automobilindustrie, z. B. für Vollelektrofahrzeuge, müssen die Batteriezellen entsprechend groß sein und besitzen aufgrund des hohen spezifischen Gewichts der Elektroden ein hohes absolutes Gewicht. Wie vorstehend bereits erwähnt, sind beispielsweise Batteriezellen auf Lithium-Ionen oder Lithium-Metall-Basis mechanisch empfindlich, so dass bei Einbau in ein Kfz besondere Maßnahmen zu treffen sind, um die Batteriezellen vor mechanischer Beeinträchtigung zu schützen. Bei einem modernen Pkw sind bei normalen Betriebszyklen Beschleunigungskräfte vom Zwei- bis Dreifachen der Erdbeschleunigung in jeder Raumachse zu erwarten. Solche Kräfte wirken auf das Fahrzeug bei Beschleunigung, Verzögerung, Kurvenfahrt und dem Überfahren von Unebenheiten ein. Darüber hinaus ist es unbedingt erforderlich, eine in einem Kraftfahrzeug eingebaute Batterie vor aufprallbedingten mechanischen Einwirkungen und vor aufprallbedingten Beschleunigungskräften zu sichern. Weiter sind die Batterien und damit die Batteriezellen und deren Verbindungen fahrzeugbedingten Vibrationen ausgesetzt.It is easy to imagine that for electric vehicles batteries must be provided, which is a proportionate high storage capacity and a relative have large terminal voltage. Especially for the automotive industry, eg. B. for full electric vehicles, the battery cells must be correspondingly large and possess due to the high specific gravity of the electrodes a high absolute weight. As mentioned above, For example, battery cells on lithium-ion or lithium-metal-based mechanically sensitive, so that when installed in a car special Measures are to be taken to make the battery cells more mechanical To protect impairment. In a modern Cars are accelerating forces during normal operating cycles from two to three times the gravitational acceleration in each axis expected. Such forces contribute to the vehicle Acceleration, deceleration, cornering and driving over of bumps. In addition, it is essential a built in a motor vehicle battery before impact mechanical effects and impact forces due to impact to secure. Next are the batteries and thus the battery cells and their compounds exposed to vehicle-induced vibration.
Diese Randbedingungen stellen hohe Anforderungen an den Separator, er muss den Zielkonflikt zwischen großer Ionenleitfähigkeit sowie geringem Gewicht einerseits und hoher mechanisch/thermischen Stabilität andererseits lösen.These Boundary conditions make high demands on the separator, he must be the trade-off between high ionic conductivity and low weight on the one hand and high mechanical / thermal On the other hand, solve stability.
Hinsichtlich ihres Werkstoffes lassen sich die zurzeit verwendeten Separatoren in drei Klassen unterteilen: Vollorganischen Separatoren, vollkeramische Separatoren und organisch/anorganische Verbund-Separatoren.Regarding their material can be the currently used separators subdivided into three classes: Fully Organic Separators, All-Ceramic Separators and organic / inorganic composite separators.
Hinsichtlich
ihres Aufbaus existieren zwei unterschiedliche Separator-Typen:
Textile Separatoren und Schichtseparatoren. Bei der textilen Struktur
handelt es sich in der Regel um Vliese. Vliese (im Englischen: „non-wovens”)
gehören zu der Klasse der textilen Flächengebilde
und sind gemäß
Um trotz der geringen Elastizität der keramischen Werkstoffe einen vergleichsweise flexiblen Separator zu erhalten, werden vollkeramische Separatoren in der Regel textil aufgebaut. Sie bestehen aus anorganischen Vliesstoffen, wie z. B. Vliesen aus Glas- oder Keramik-Materialien oder auch Keramikpapieren. Diese werden von verschiedenen Firmen hergestellt. Wichtige Produzenten sind hier: Binzer, Mitsubishi, Daramic und andere.In order to obtain a comparatively flexible separator in spite of the low elasticity of the ceramic materials, all-ceramic separators are generally built up textile. They consist of inorganic nonwovens, such. B. fleeces of glass or ceramic materials or ceramic papers. These are made by different companies. Important producers are: Binzer, Mitsubishi, Daramic and others.
Die Separatoren aus anorganischen Vliesstoffen oder aus Keramikpapier sind mechanisch sehr unbeständig und führen leicht zu Kurzschlüssen, so dass keine große Standzeit erreicht werden kann.The Separators of inorganic nonwovens or of ceramic paper are mechanically very unstable and lead easily too short, so no long life can be achieved.
Vollorganische Separatoren finden sowohl in textiler, als auch in Schichtstruktur Anwendung. Typische textile Separatoren auf organischer Basis bestehen z. B. aus Polypropylen-Fasern. Die Firmen Celgard, Tonen, Ube und Asahi stellen vollorganische Separatoren her. Beispielhaft sei der vollorganische Schichtseparator genannt, der von der Firma Celgard, LLC unter der Bezeichnung Celgard® 2320 angeboten wird. Es handelt sich hierbei um eine dreilagige, mikroporöse Schichtung aus Polypropylen, Polyethylen, und Polypropylen. Der Begriff der Mikroporosität entstammt aus der Klassifizierung der Porengröße von Materialien und erfolgt gemäß IUPAC. Diese unterteilt die Porengröße in folgende drei Gruppen: So enthalten mikroporöse Materialien Poren mit einer Größe kleiner als 2 nm. Poren mit einer Größe zwischen 2 und 50 nm sind in mesoporösen Materialien zu finden. Materialien mit Poren, die größer als 50 nm sind, sind als makroporös definiert.Fully organic separators are used both in textile and in layered structure. Typical textile separators on an organic basis consist for. B. polypropylene fibers. The companies Celgard, Tonen, Ube and Asahi produce fully organic separators. An example is the fully organic Schichtseparator, which is offered by the company Celgard, LLC under the name Celgard ® 2320th It is a three-layer, microporous layer of polypropylene, polyethylene, and polypropylene. The term microporosity derives from the classification of the pore size of materials and is carried out according to IUPAC. This subdivides the pore size into the following three groups: For example, microporous materials contain pores with a size smaller than 2 nm. Pores with a size between 2 and 50 nm can be found in mesoporous materials. Materials with pores larger than 50 nm are defined as macroporous.
Ein großer Nachteil organischer Polyolefinseparatoren ist deren geringe thermische Belastbarkeit von unter 170°C. Schon ein kurz anhaltendes Erreichen des Schmelzpunkts dieser Polymere führt zu einem weitgehenden Schmelzen des Separators und zu einem Kurzschluss in der elektrochemischen Zelle, die einen solchen Separator einsetzt. Der Einsatz solcher Separatoren ist daher generell nicht sicher. Denn beim Erreichen von höheren Temperaturen, insbesondere von über 150°C oder gar 180°C werden diese Separatoren zerstört. Vollorganische Separatoren eignen sich daher nicht für den Einsatz in Hochenergie- bzw. Hochleistungsbatterien. Hierfür sind vollkeramische bzw. organisch/anorganische Verbund-Separatoren erforderlich. Hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften sind die organisch/anorganische Verbund-Separatoren den vollkeramischen Separatoren überlegen und kommen daher insbesondere in mobilen Anwendungen zum Einsatz.One The big disadvantage of organic polyolefin separators is their low thermal load of less than 170 ° C. Nice a short-lived achievement of the melting point of these polymers leads to a substantial melting of the separator and to a short circuit in the electrochemical cell, such a Separator uses. The use of such separators is therefore general not sure. Because when reaching higher temperatures, in particular above 150 ° C or even 180 ° C These separators are destroyed. Fully organic separators are therefore not suitable for use in high energy or high-performance batteries. For this are all-ceramic or organic / inorganic composite separators required. Regarding her mechanical properties are the organic / inorganic composite separators superior to the all-ceramic separators and therefore come especially in mobile applications.
Organisch/anorganische
Verbund-Separatoren werden z. B. in
Ein
anderes Verfahren zur Herstellung von organisch/anorganischen Verbund-Separatoren
wird in den Schriften
Aus
der
Aus
der
Die
Die
Die
Die
Die
In der Praxis gefertigte Separatoren weisen heute geringstenfalls eine Stärke von ca. 20 μm auf. Grundsätzlich ist es erstrebenswert, möglichst dünne Separatoren zu erhalten. Dadurch kann zum einen der Anteil der Bestandteile einer Batterie, die nicht zu deren Aktivität beitragen, verringert werden. Zum anderen bewirkt die Verringerung der Stärke zugleich eine Verbesserung der Ionenleitfähigkeit. Die geringe Wandstärke senkt jedoch die mechanische Stabilität und damit die Sicherheit.In the practice made separators today have at least one Thickness of about 20 microns. in principle it is desirable, as thin as possible separators to obtain. As a result, on the one hand, the proportion of components a battery that does not contribute to their activity, be reduced. On the other hand, the reduction of strength at the same time an improvement of the ionic conductivity. The low wall thickness, however, lowers the mechanical stability and with it the security.
Die
beste Lösung dieses Zielkonfliktes im Bereich der Hochenergie-/Hochleistungsbatterien
wurde bisher in organisch/anorganischen Verbund-Separatoren gesehen,
die ein flächiges, textil-organisches Trägersubstrat
und eine darauf aufgebrachte, porös-keramische Beschichtung
aufweisen. Beispiele hierfür sind die oben erwähnten
SEPARION®-Produkte bzw. der Gegenstand
der
An dieser Stelle und im Folgenden wird für den Begriff Separator der Begriff keramisches Kompositmaterial verwendet. Ausgehend von dem oben geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein keramisches Kompositmaterial der eingangs genannten Gattung unter Beibehaltung ihrer hohen thermischen und mechanischen Stabilität so weiter zu bilden, dass sie geringere Stärken erreicht.At this point and below is for the term separator the term used is ceramic composite material. Starting from the above-described prior art, the invention is the Task based, a ceramic composite material of the beginning mentioned genus while maintaining their high thermal and mechanical stability to form so that they lower Strengths achieved.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass als Trägersubstrat eine Polymerfolie vorgesehen wird, wobei das Trägersubstrat mit einer Perforation versehen ist, welche aus einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Löcher besteht, und wobei die Perforation zumindest auf einer Seite des Trägersubstrats von der porösen Beschichtung verdeckt ist.Solved This object is achieved in that as a carrier substrate a Polymer film is provided, wherein the carrier substrate is provided with a perforation, which from a variety regularly arranged holes, and wherein the perforation at least on one side of the carrier substrate from the porous Coating is covered.
Gegenstand der Erfindung ist mithin ein keramisches Kompositmaterial, welche ein flächiges Trägersubstrat und eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte, keramische Partikel aufweisende, poröse Beschichtung umfasst, bei dessen Trägersubstrat es sich um eine Polymerfolie handelt, welche mit einer Perforation versehen ist, die aus einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Löcher besteht, wobei die Perforation zumindest auf einer Seite des Trägersubstrats von der porösen Beschichtung verdeckt ist.object The invention is therefore a ceramic composite material, which a flat carrier substrate and one on the Carrier substrate applied, having ceramic particles, porous coating, in the carrier substrate it is a polymer film which is perforated is that of a variety regularly arranged Holes, the perforation at least on one Side of the carrier substrate of the porous coating is covered.
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, als Trägersubstrat eine Polymerfolie zu verwenden, die ihre Ionen-Durchlässigkeit dadurch erhalten hat, dass in eine an sich ionenundurchlässige, geschlossene Urfolie unter Einhaltung eines definierten geometrischen Musters gezielt eine Lochung eingebracht wurde, welche die Folie erst ionendurchlässig gemacht hat. Folglich verwendet man erfindungsgemäß eine gleichmäßig perforierte Lochfolie, deren Ionen-Durchlässigkeit aufgrund der Regelmäßigkeit des Lochmusters über die gesamte Fläche der Folie konstant ist.A The basic idea of the present invention is as a carrier substrate to use a polymer film that has its ion permeability obtained by turning it into an ion-impermeable Closed original film in compliance with a defined geometric Patterns targeted a hole was introduced, which is the film first made ion permeable. Consequently one uses according to the invention a uniform perforated perforated foil whose ion permeability due to the regularity of the hole pattern the entire surface of the film is constant.
Dies hat nämlich den entscheidenden Vorteil, dass die durch die Lochung hervorgerufene mechanische Schwächung der Folie über deren gesamte Fläche ebenso konstant ist wie ihre Ionen-Durchlässigkeit. Die invariante Schwächung gestattet es, die Stärke der Folie auf das Maß so zu minimieren, das eben für die notwendige Tragfähigkeit der Polymerfolie erforderlich ist: In Ermangelung einer statistischen Verteilung der Porosität fehlt ebenso eine statische Verteilung der Tragfähigkeit, sodass die große Sicherheitsaufschläge bei der Dimensionierung der Folienstärke nicht mehr notwendig sind.This has the decisive advantage that the through the punching caused mechanical weakening of the film over their entire surface is just as constant as their ion permeability. The Invariant weakening allows the strength to minimize the size of the film so that just for the necessary carrying capacity of the polymer film is required is: In the absence of a statistical distribution of porosity lacks a static distribution of carrying capacity, so that the large security surcharges at the Dimensioning of the film thickness are no longer necessary.
Tatsächlich zeigt sich, dass erfindungsgemäße keramische Kompositmaterialien, die auf einer regelmäßig perforierten Polymerfolie als Trägersubstrat basieren, bei derselben thermischen und mechanischen Stabilität deutlich geringere Gesamtstärken erzielen als herkömmliche organisch/anorganische, auf textilem Trägersubstrat aufbauende Verbund-Separatoren.Indeed shows that ceramic composite materials according to the invention, on a regularly perforated polymer film as a carrier substrate, at the same thermal and mechanical stability significantly lower overall strengths achieve as conventional organic / inorganic, on textile carrier substrate constructive composite separators.
Gegenüber Separatoren, die durch Verstrecken einer Folie erhalten werden, weisen die erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterialien den Vorteil auf, dass auf den Verfahrensschritt des Verstreckens verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass über die eingesetzte Partikelgröße die Porengröße des keramischen Kompositmaterials relativ exakt eingestellt werden kann, während bei den durch Verstrecken hergestellten keramischen Kompositmaterialien die Porengröße vom Verstreckvorgang abhängig ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass sich die Porosität des keramischen Kompositmaterials nicht allein durch das Beschichtungsmaterial, sondern auch durch die Perforierung der Lochfolie modifizieren lässt: Lochdichte und Lochgröße lässt sich genau vorgeben. Bei Verwendung der Lochfolien als Trägersubstrat besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die Dicke der Folie sehr variabel eingestellt werden kann. Vorzugsweise werden Folien mit einer Stärke von mindestens 1 μm verwendet. Im Gegensatz zur Polyolefinfolie besitzt das vorliegende keramische Kompositmaterial ferner eine vorteilhaft gute Benetzung der Oberfläche durch Batterieelektrolyte. Durch Verwendung von Folie als Support- sowie Keramik als Beschichtungsmaterial werden die Vorteile der keramischen (hohe Porosität, ideale Porenweite, geringe Dicke, geringes Flächengewicht, sehr gutes Benetzungsverhalten, hohe Sicherheit), als auch der polymeren Separatorarten (geringes Flächengewicht, geringe Dicke, hohe Knick-Biegbarkeit) miteinander vereinigt.Across from Separators obtained by stretching a film, have the ceramic composite materials according to the invention the advantage that dispenses with the step of stretching can be. Another advantage is that over the particle size used the pore size the ceramic composite material can be set relatively accurately while that produced by drawing ceramic Composite materials the pore size of the drawing process is dependent. Another advantage is that the Porosity of the ceramic composite material not alone through the coating material, but also through the perforation the perforated film can be modified: hole density and hole size can be specified exactly. When using the perforated sheets as a carrier substrate there is a further advantage that the thickness of the film can be set very variable. Preferably, films having a thickness of at least 1 μm used. In contrast to the polyolefin film has the present ceramic composite further has an advantage good wetting of the surface by battery electrolytes. By Use of foil as support as well as ceramic as coating material become the advantages of the ceramic (high porosity, ideal Pore width, small thickness, low basis weight, very good wetting behavior, high safety), as well as the polymeric Separator types (low basis weight, small thickness, high bend flexibility).
Vorteilhafterweise werden die Löcher im Wesentlichen rund ausgeführt und der Abstand der Zentren zweier benachbarter Löcher wird so gewählt, dass er innerhalb der Perforation konstant ist. Die Einhaltung dieser geometrischen Vorgaben führt zu einem besonders regelmäßig perforierten keramischen Kompositmaterial, welches hinsichtlich der Konstanz der Ionen-Durchlässigkeit höchste Erwartungen erfüllt. Rund bedeutet in diesem Zusammenhang kreisrund oder elliptisch oder oval. Ein kreisrunder Lochquerschnitt ist allerdings bevorzugt, da kreisrunde Löcher dank ihrer idealen Symmetrie eine hohe Regelmäßigkeit schaffen und technisch einfach herzustellen sind. Es ist aber ebenso denkbar, Lochquerschnitte zu wählen, die einen geringeren Symmetriegrad erreichen, wie Ovale bzw. elliptische Löcher, oder Löcher, deren Querschnitt durch ein regelmäßiges Vieleck beschrieben wird.advantageously, the holes are made essentially round and the distance between the centers of two adjacent holes is chosen to be constant within the perforation is. Compliance with these geometric specifications leads to a particularly regularly perforated ceramic Composite material, which with regard to the constancy of the ion permeability highest expectations fulfilled. Round means in circular or elliptical or oval in this context. A circular one Hole cross-section is preferred, however, because circular holes thanks to their ideal symmetry a high regularity create and are technically easy to manufacture. But it is the same conceivable to choose hole cross-sections, the lower degree of symmetry reach such as ovals or elliptical holes, or holes, their cross section through a regular polygon is described.
Das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial kann die Beschichtung nur auf einer Seite des Polymersubstrats oder auf beiden Seiten des Polymersubstrats sowie in den Löchern aufweisen. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial die Beschichtung auf beiden Seiten des Polymersubstrats und in den Löchern auf. Mithin wird die Beschichtung beiderseits des Trägersubstrats aufgebracht, sodass sie die Beschichtung die Löcher durchgreift. Dies erhöht die Belastbarkeit des keramischen Kompositmaterials und verbessert seine Homogenität. Diese Ausführungsform hat auch den Vorteil, dass bei der Verwendung des keramischen Kompositmaterials zur Trennung von Anode und Kathode jeweils die Beschichtung mit der Kathoden- bzw. Anodenmasse in Kontakt steht.The ceramic composite material according to the invention the coating only on one side of the polymer substrate or on both sides of the polymer substrate as well as in the holes exhibit. Preferably, the inventive ceramic composite the coating on both sides of the Polymer substrate and in the holes. Thus, the Coated on both sides of the carrier substrate, so that it passes through the coating holes. This increases the load capacity of the ceramic composite material and improves its homogeneity. This embodiment also has the advantage that when using the ceramic composite material for the separation of anode and cathode in each case the coating with the cathode or anode mass is in contact.
Die keramischen Partikel der Beschichtung werden vorzugsweise über einen anorganischen Binder miteinander verbunden. Der Binder erhöht den Zusammenhalt der Beschichtung und damit die mechanische Festigkeit. Die Verwendung eines anorganischen Binders beeinflusst positiv die Temperaturfestigkeit des keramischen Kompositmaterials.The ceramic particles of the coating are preferably over an inorganic binder connected together. The binder increases the cohesion of the coating and thus the mechanical strength. The use of an inorganic binder positively influences the Temperature resistance of the ceramic composite material.
Als anorganischer Binder eignen sich Silane, also Verbindungen, die aus Silicium und Wasserstoff aufgebaut sind.When Inorganic binders are suitable silanes, ie compounds that composed of silicon and hydrogen.
Alternativ kann ein organischer Binder verwendet werden, um die keramischen Partikel der Beschichtung miteinander zu verbinden. Die Verwendung eines organischen Binders wirkt sich positiv auf die Flexibilität des keramischen Kompositmaterials aus: So zeichnet sich das keramische Kompositmaterial mit organisch gebundenen Partikeln durch eine verbesserte Biegbarkeit und eine höhere Knicktoleranz gegenüber solchen Separatoren auf, deren keramische Partikel über anorganische Binder gebunden sind. Vorteilhaft ist hier, dass die Vernetzung der Keramikpartikel nicht über eine andere Keramik erfolgt, sondern dass der polymere organische Binder diese Aufgabe übernimmt. Das Polymer ist im Vergleich zur Keramik über einen weiten Temperaturbereich weitaus flexibler. Ein weiterer Vorteil des organisch gebundenen keramischen Kompositmaterials liegt darin, dass beim Schneiden deutlich weniger Keramik-Staub anfällt, als beim Schneiden von herkömmlichen keramischen Separatoren.alternative An organic binder can be used to make the ceramic Particles of the coating to connect with each other. The usage an organic binder has a positive effect on the flexibility of the ceramic composite material: This is how the ceramic material stands out Composite material with organically bound particles by an improved Bendability and a higher buckling tolerance such separators whose ceramic particles over inorganic binders are bonded. It is advantageous here that the Crosslinking of the ceramic particles does not have a different ceramic takes place, but that the polymeric organic binder takes over this task. The polymer is over a wide compared to the ceramic Temperature range much more flexible. Another advantage of the organic bonded ceramic composite material is that in the Cutting significantly less ceramic dust accumulates, than when Cutting of conventional ceramic separators.
Ein weiterer Vorteil des organischen Binders ist, dass er nicht nur die keramischen Partikel untereinander, sondern auch die keramischen Partikel mit der Polymerfolie zu verbinden vermag. Dadurch wird die Haftung der Beschichtung am Trägersubstrat gesteigert, so dass die Beschichtung beim Einbau des fertigen keramischen Kompositmaterials in die Zelle nicht beschädigt wird. Bevorzugt ist deshalb eine Ausführungsform, bei der der organische Binder zumindest einen Teil der keramischen Partikel der Beschichtung mit der Polymerfolie verbindet.One Another advantage of the organic binder is that it not only the ceramic particles among themselves, but also the ceramic ones Particles with the polymer film to connect. This will increases the adhesion of the coating to the carrier substrate, so that the coating during installation of the finished ceramic composite material in the cell is not damaged. Therefore, it is preferred an embodiment in which the organic binder at least a portion of the ceramic particles of the coating with the polymer film combines.
Als organischer Binder kann z. B. ein Polymer oder ein Copolymer, vorzugsweise ein fluorhaltiges Polymer oder Copolymer in dem erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterial vorhanden sein. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial als fluorhaltigen organischen Binder zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Copolymer oder Polyvinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymer auf. Besonders bevorzugt ist in dem erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterial als fluorhaltiges Polymer Polyvinylidenfluorid oder als Copolymer ein Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Copolymer enthalten. Als organischer Binder eignet sich das unter der Bezeichnung Kynar Flex® 2801 bei der Firma Arkema erhältliche Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Copolymer.As an organic binder can z. Example, a polymer or a copolymer, preferably a fluorine-containing polymer or copolymer in the ceramic composite material according to the invention may be present. Preferably, the ceramic composite material of the present invention contains as the fluorine-containing organic binder at least one compound selected from polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer or polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer. In the ceramic composite material according to the invention, polyvinylidene fluoride is particularly preferred as the fluorine-containing polymer or as copolymer a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer. Suitable organic binder is the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer available under the name Kynar Flex® 2801 from Arkema.
Als Polymersubstrate können insbesondere Folien von solchen Polymeren oder Copolymeren vorhanden sein, die vorzugsweise einen Schmelzpunkt von größer 100°C, insbesondere größer 130°C und besonders bevorzugt größer als 150°C aufweisen. Vorzugsweise sind Folien von solchem Polymer als Polymersubstrat in dem keramischen Kompositmaterial vorhanden, die eine Kristallinität von 20 bis 95%, bevorzugt von 40 bis 80% aufweisen. Besonders bevorzugt werden Folien aus mindestens einem der folgenden Kunststoffe als Trägersubstrat eingesetzt:
- a) Polyethylenterephthalat,
- b) Polyacrylnitril,
- c) Polyester,
- d) Polyamid,
- e) aromatisches Polyamid (Aramid),
- f) Polyolefin,
- g) Polytetraflourethylen,
- h) Polystyrol,
- i) Polycarbonat,
- k) Acrylnitril-Butadien-Styrol,
- l) Zellulosehydrat.
- a) polyethylene terephthalate,
- b) polyacrylonitrile,
- c) polyester,
- d) polyamide,
- e) aromatic polyamide (aramid),
- f) polyolefin,
- g) polytetrafluoroethylene,
- h) polystyrene,
- i) polycarbonate,
- k) acrylonitrile-butadiene-styrene,
- l) cellulose hydrate.
Geeignete nicht perforierte Urfolien können z. B. von DTF (DuPont-Teijin-Films) bezogen werden.suitable non-perforated Urfolien z. By DTF (DuPont-Teijin-Films) be obtained.
Derartige
Kunststofffolien werden in an sich bekannter Weise durch Flach-
oder Schlauch-Extrusion oder durch Gießen aus Lösungen
hergestellt. Auf diese Weise erhält man eine geschlossene
Urfolie, die es zu perforieren gilt. Ein geeignetes, Lasergestütztes
Verfahren zur Perforierung der geschlossenen Polymerfolie ist in
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Polymerfolie eine Stärke von kleiner 25 μm, vorzugsweise kleiner 15 μm und besonders bevorzugt von 1 bis 15 μm aufweist. Durch die sehr geringe Stärke des Trägersubstrates kann erreicht werden, dass das gesamte keramische Kompositmaterial eine Stärke von kleiner 25 μm aufweist. Bevorzugte erfindungsgemäße keramische Kompositmaterialien weisen eine Stärke von kleiner 25 μm, insbesondere eine Stärke von 4 bis 20 μm auf. Die Stärke des keramischen Kompositmaterials hat einen großen Einfluss auf seine Eigenschaften, da zum einen die Flexibilität, zum anderen aber auch der Flächenwiderstand des mit Elektrolyt getränkten keramischen Kompositmaterials von der Stärke des keramischen Kompositmaterials abhängig ist. Durch die geringe Stärke wird ein besonders geringer elektrischer Widerstand des keramischen Kompositmaterials in der Anwendung mit einem Elektrolyten erzielt. Das keramische Kompositmaterial selbst weist natürlich einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, da sie selbst isolierende Eigenschaften aufweisen muss. Zudem erlauben dünnere keramische Kompositmaterialien eine erhöhte Packungsdichte in einem Batteriestapel, so dass man im gleichen Volumen eine größere Energiemenge speichern kann.It may be advantageous if the polymer film is a starch of less than 25 microns, preferably less than 15 microns and more preferably from 1 to 15 microns. By the very small thickness of the carrier substrate can be achieved that the entire ceramic composite material a Thickness of less than 25 microns. preferred ceramic composite materials according to the invention have a thickness of less than 25 microns, in particular a thickness of 4 to 20 microns. The strenght of the ceramic composite material has a great influence on its properties, because on the one hand the flexibility, on the other hand, the sheet resistance of the electrolyte impregnated ceramic composite material of starch of the ceramic composite material is dependent. By the low strength becomes a particularly low electrical Resistance of the ceramic composite material in the application with achieved an electrolyte. The ceramic composite itself of course has a very high electrical resistance because it itself must have insulating properties. moreover allow thinner ceramic composite materials increased Packing density in a battery pack, so that in the same Volume can store a larger amount of energy.
Das Trägersubstrat, welches eine perforierte Folie ist, weist vorzugsweise Löcher mit einem Durchmesser kleiner 500 μm, bevorzugt kleiner 300 μm und besonders bevorzugt von 40 bis 150 μm auf. Weicht die Querschnittsgeometrie der Löcher von der bevorzugten kreisrunden Form ab, so wird unter dem vorgenannten Durchmesser jeweils die maximale Ausdehnung des Lochs, also der Durchmesser des Umkreises, verstanden.The Carrier substrate which is a perforated film has preferably holes with a diameter smaller than 500 μm, preferably less than 300 microns and more preferably from 40 up to 150 μm. Dodges the cross-sectional geometry of the holes from the preferred circular shape, so is below the aforementioned diameter each the maximum extent of the hole, so the diameter of the perimeter, understood.
Die perforierte Folie weist vorzugsweise so viele Löcher und so große Löcher auf, dass der Anteil der Löcher an der Gesamtfläche der Polymerfolie 10 bis 90% beträgt. Damit weist das Polymersubstrat eine durchbrochene Fläche von 10–90% auf, dass heißt, dass die Summe der Querschnittsfläche der einzelnen Löcher 10 bis 90% der Gesamtfläche der Innerhalb der Außenkontur des Trägersubstrats ausmacht. Vorzugsweise weist das Polymersubstrat eine durchbrochene Fläche von 10 bis 80%, besonders bevorzugt von 20 bis 75% auf.The perforated film preferably has so many holes and so big holes on that, the percentage of holes on the total area of the polymer film is 10 to 90%. Thus, the polymer substrate has a perforated surface from 10-90% on, that is, the sum of the Cross sectional area of the individual holes 10 to 90% of the total area within the outer contour of the carrier substrate. Preferably, the polymer substrate an open area of 10 to 80%, more preferred from 20 to 75% on.
Bei gleichmäßiger und regelmäßiger Verteilung kreisrunder Löcher mit einem einheitlichen Durchmesser in der Folie kann die Lochdichte in ppi (pores per inch) angegeben werden. Die Wahl des Lochdurchmessers und des Abstandes zwischen den einzelnen Löchern bestimmt die Lochdichte. Näheres hierzu wird in den Ausführungsbeispielen beschrieben.at smoother and more regular Distribution of circular holes with a uniform diameter in the film, the hole density in ppi (pores per inch) specified become. The choice of hole diameter and distance between The hole density is determined by the individual holes. For details, This will be described in the embodiments.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Polymersubstrat die Löcher mit einer Dichte größer 30 ppi, vorzugsweise größer 40 ppi und ganz besonders bevorzugt von 50 bis 700 ppi aufweist. Durch eine genügend große Anzahl von Löchern pro Flächeneinheit wird eine genügend große Porosität des Substrats erreicht, so dass das Substrat selbst der Ionenleitung einen möglichst geringen Widerstand entgegenstellt.It may be advantageous if the polymer substrate the holes with a density greater than 30 ppi, preferably greater 40 ppi, and most preferably from 50 to 700 ppi. By a sufficiently large number of holes per unit area will be a sufficiently large Porosity of the substrate is achieved, leaving the substrate even the ionic line has the lowest possible resistance opposes.
Die in der Beschichtung des erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterials enthaltenen keramischen Partikel weisen vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße d50 von 0,01 bis 10 μm, vorzugsweise von 0,1 bis 8 μm und besonders bevorzugt von 0,1 bis 5 μm auf. Die mittlere Partikelgröße der keramischen Partikel kann mittels Laserkleinwinkelstreuung bei der Herstellung des keramischen Kompositmaterials oder durch Abtrennen der polymeren Bestandteile des keramischen Kompositmaterials, z. B. durch Auflösen der Polymeren von den keramischen Partikeln bestimmt werden.The ceramic particles contained in the coating of the ceramic composite material according to the invention preferably have an average particle size d 50 of from 0.01 to 10 μm, preferably from 0.1 to 8 μm and particularly preferably from 0.1 to 5 μm. The mean particle size of the ceramic particles can be determined by means of small laser angle scattering in the production of the ceramic composite material or by separating the polymeric constituents of the ceramic composite material, for. B. be determined by dissolving the polymers of the ceramic particles.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die keramischen Partikel eine maximale Partikelgröße von 10 μm, vorzugsweise von kleiner 10 μm und besonders bevorzugt von kleiner 7,5 μm aufweisen. Durch die Begrenzung der maximalen Partikelgröße kann sichergestellt werden, dass das keramische Kompositmaterial eine bestimmte Dicke nicht überschreitet. Die maximale Partikelgröße sowie die Partikelgrößenverteilung können beispielsweise durch Laserbeugung oder als Filterrückstand eines entsprechenden Prüfsiebes bestimmt werden. Als keramische Partikel können prinzipiell alle keramischen Partikel in dem keramischen Kompositmaterial vorhanden sein, die nicht elektrisch leitend sind. Vorzugsweise sind in dem keramischen Kompositmaterial keramische Partikel, ausgewählt aus den Oxiden von Magnesium, Silizium, Bor, Aluminium und Zirkonium oder Mischungen davon, vorhanden. Bevorzugt sind die keramischen Partikel Oxid-Partikel von Magnesium, Barium, Bor, Aluminium, Zirkonium, Titan, Hafnium, Zink, Silizium, oder Mischoxide dieser Metalle, insbesondere B2O3, Al2O3, ZrO2, BaTiO3, ZnO, MgO, TiO2 und SiO2.It may be advantageous if the ceramic particles have a maximum particle size of 10 microns, preferably less than 10 microns and more preferably of less than 7.5 microns. By limiting the maximum particle size, it can be ensured that the ceramic composite material does not exceed a certain thickness. The maximum particle size and the particle size distribution can be determined, for example, by laser diffraction or as filter residue of a corresponding test sieve. In principle, all ceramic particles which are not electrically conductive can be present in the ceramic composite material as ceramic particles. Preferably, ceramic particles selected from the oxides of magnesium, silicon, boron, aluminum and zirconium or mixtures thereof are present in the ceramic composite material. The ceramic particles are preferably oxide particles of magnesium, barium, boron, aluminum, zirconium, titanium, hafnium, zinc, silicon, or mixed oxides of these metals, in particular B 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , BaTiO 3 , ZnO , MgO, TiO 2 and SiO 2 .
Die
erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterialien
lassen sich ohne Beschädigung vorzugsweise auf jeden Radius
bis herab zu 100 mm, vorzugsweise auf einen Radius von 100 mm bis
herab zu 50 mm und ganz besonders bevorzugt auf einen Radius von
50 mm bis herab zu 0,5 mm biegen. Auch ein Knicken übersteht
das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial
schadlos. Die erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterialien
zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass sie vorzugsweise
eine Reißfestigkeit (gemessen mit einem Zugmessgerät
der Firma Zwick; gem. Methode
Vorzugsweise
weist das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial
eine Porosität von 30 bis 60%, bevorzugt von 40 bis 50%
auf. Die Porosität bezieht sich dabei auf die erreichbaren,
also offenen Poren. Die Porosität kann dabei mittels der
bekannten Methode der Quecksilber-Porosimetrie (in Anlehnung an
Das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße keramische Kompositmaterial durch das nachfolgend beschrieben erfindungsgemäße Verfahren erhältlich bzw. wird durch ein Verfahren erhalten, welches die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer geschlossenen Polymerfolie,
- b) Lochen der Polymerfolie, sodass die Polymerfolie eine Perforation erhält, welche aus einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Löcher besteht,
- c) Aufbringen einer keramische Partikel aufweisenden, porösen Beschichtung auf mindestens einer Seite der perforierten Polymerfolie.
- a) providing a closed polymer film,
- b) punching the polymer film so that the polymer film receives a perforation consisting of a plurality of regularly arranged holes,
- c) applying a ceramic coating having porous coating on at least one side of the perforated polymer film.
Gegenstand der Erfindung ist deswegen auch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kompositmaterials mit den soeben aufgeführten Schritten.object The invention is therefore also a method for producing a ceramic composite material with the just listed Steps.
Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Beschichtung auf die perforierte Polymerfolie dadurch, dass auf die perforierte Polymerfolie eine Dispersion aufgebracht und verfestigt wird, wobei die Dispersion keramische Partikel in einer Lösung dispergiert, und wobei die Lösung einen vorzugsweise fluorhaltigen, in einem organischen Lösungsmittel gelösten organischen Binder enthält. Darüber hinaus enthält die Dispersion vorzugsweise eine Säure wie HNO3. Dispersionen im Sinne der Erfindung sind auch Schlicker.The application of the coating to the perforated polymer film is preferably carried out by applying and solidifying a dispersion onto the perforated polymer film, wherein the dispersion disperses ceramic particles in a solution, and the solution contains a preferably fluorine-containing organic binder dissolved in an organic solvent , In addition, the dispersion preferably contains an acid such as HNO 3 . Dispersions according to the invention are also slip.
Vorzugsweise wird eine Dispersion eingesetzt, die einen Anteil an keramischen Partikeln an der gesamten Dispersion von 10 bis 60 Massen-%, bevorzugt von 15 bis 40 und besonders bevorzugt von 20 bis 30 Massen-% aufweist.Preferably is used a dispersion containing a proportion of ceramic Particles in the total dispersion of 10 to 60 mass%, preferably from 15 to 40 and more preferably from 20 to 30% by mass.
In Bezug auf den Binder wird vorzugsweise eine Dispersion eingesetzt, die einen Anteil an vorzugsweise fluorhaltigem organischen Binder von 0,5 bis 20 Massen-%, bevorzugt von 1 bis 10 Massen-% und besonders bevorzugt von 1 bis 5 Massen-% aufweist.In With respect to the binder, a dispersion is preferably used, a proportion of preferably fluorine-containing organic binder from 0.5 to 20% by mass, preferably from 1 to 10% by mass, and especially preferably from 1 to 5% by mass.
Besonders bevorzugt werden zur Herstellung der Dispersion als Oxidpartikel Aluminiumoxidpartikel eingesetzt, die bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise von 0,1 bis 5 μm aufweisen. Ferner können in die keramische Dispersion auch Lithium-haltige Verbindungen, insbesondere Li2CO3, LiCl, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiTf (Lithium trifluormethylsulfonat), LiTFSI (Lithium bis (trifluoromethansulfonylimide)), eingebracht, und damit auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Aluminiumoxid-Partikel im Bereich der bevorzugten Partikelgrößen werden beispielweise von der Firma Martinswerke unter den Bezeichnungen MZS3, MZS1, MDS6 und DN206 und von der Firma AlCoA unter der Bezeichnung CT3000 SG, CL3000 SG, CL4400 FG, CT1200 SG, CT800SG und HVA SG angeboten.For the preparation of the dispersion, particular preference is given to using aluminum oxide particles as oxide particles, which preferably have an average particle size of from 0.1 to 10 μm, preferably from 0.1 to 5 μm. Furthermore, in the ceramic dispersion and lithium-containing compounds, in particular Li 2 CO 3 , LiCl, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiTf (lithium trifluoromethylsulfonat), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonylimide)) introduced, and thus applied to the carrier substrate. Aluminum oxide particles in the range of preferred particle sizes are obtained, for example, from Martinswerke under the designations MZS3, MZS1, MDS6 and DN206 and from AlCoA under the name CT3000 SG, CL3000 SG, CL4400 FG, CT1200 SG, CT800SG and HVA SG.
Zur Herstellung der Lösung wird der organische Binder, vorzugsweise der fluorhaltige organische Binder in einem Lösungsmittel gelöst. Die Menge des zu lösenden Binders bestimmt sich nach dem oben genannten Anteil an Binder in der fertigen Dispersion. Als Lösungsmittel können alle Verbindungen eingesetzt werden, die in der Lage sind, den organischen Binder zu lösen. Als Lösungsmittel kann z. B. eine organische Verbindung, ausgewählt aus 1-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Aceton, Ethanol, n-Propanol, 2-Propanol, n-Butanol, Cyclohexanol, Diacetonalkohol, n-Hexan, Petrolether, Cyclohexan, Diethylether, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Tetrahydrofuran, Dioxan, Dimethylsulfoxid, Benzol, Toluol, Xylol, Dimethylcarbonat, Ethylacetat, Chloroform oder Dichlormethan oder ein Gemisch dieser Verbindungen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird als Lösungsmittel Aceton, Isopropanol und/oder Ethanol eingesetzt. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Herstellung der Lösung unter einem leichten Erwärmen, vorzugsweise auf 30 bis 55°C erfolgt. Durch das Erwärmen des Lösungsmittels kann das Lösen des Binders beschleunigt werden.to Preparation of the solution is the organic binder, preferably the fluorine-containing organic binder in a solvent solved. The amount of binder to be dissolved is determined depending on the above-mentioned proportion of binder in the finished dispersion. All compounds can be used as solvent which are able to dissolve the organic binder. As a solvent, for. An organic compound, selected from 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), acetone, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol, cyclohexanol, diacetone alcohol, n-hexane, petroleum ether, cyclohexane, diethyl ether, dimethylformamide, Dimethylacetamide, tetrahydrofuran, dioxane, dimethyl sulfoxide, benzene, Toluene, xylene, dimethyl carbonate, ethyl acetate, chloroform or dichloromethane or a mixture of these compounds. Especially preferred solvents are acetone, isopropanol and / or Ethanol used. It may be advantageous if the production the solution with gentle heating, preferably at 30 to 55 ° C takes place. By heating the Solvent can accelerate the dissolution of the binder become.
Das Verfestigen der Dispersion erfolgt vorzugsweise durch Entfernen des Lösungsmittels. Das Entfernen des Lösungsmittels erfolgt vorzugsweise durch Verdampfen bzw. Abdampfen des Lösungsmittels. Das Entfernen des Lösungsmittels kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur erfolgen. Das Entfernen des Lösungsmittels bei erhöhter Temperatur kann bevorzugt sein, wenn das Lösungsmittel schnell entfernt werden soll. Aus ökologischen und/oder ökonomischen Gründen kann es vorteilhaft sein, das durch Verdampfen entfernte Lösungsmittel zu sammeln, zu kondensieren und erneut als Lösungsmittel in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen.The Solidification of the dispersion is preferably carried out by removal of the solvent. The removal of the solvent is preferably carried out by evaporation or evaporation of the solvent. Removal of the solvent may be at room temperature or at elevated temperature. Removing the Solvent at elevated temperature may be preferred be if the solvent should be removed quickly. For ecological and / or economic reasons it may be advantageous to remove the solvent removed by evaporation to collect, condense and re-solvent to use in the process according to the invention.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Dispersion auf beide Seiten oder nur auf einer Seite der Polymerfolie aufgebracht und dort verfestigt werden. Wird zum Erhalt einer Beschichtung auf beiden Seiten der Polymerfolie die Dispersion auf beide Seiten der Polymerfolie aufgebracht und dort verfestigt, so kann dies in einem Arbeitsschritt erfolgen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn die Dispersion zunächst auf eine Seite der Folie aufgebracht und verfestigt wird und anschließend die Dispersion auf der anderen Seite der Folie aufgebracht und verfestigt wird.In the process of the invention, the dispersion applied to both sides or only on one side of the polymer film and be solidified there. Will open to get a coating Both sides of the polymer film, the dispersion on both sides of Applied polymer film and solidified there, so this can in one Work step done. But it can also be advantageous if the dispersion is first applied to one side of the film and solidified, and then the dispersion the other side of the film is applied and solidified.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Aufbringen der Dispersion auf die Polymerfolie z. B. durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen erfolgen. Besonders bevorzugt, insbesondere wenn beide Seiten der Polymerfolie beschichtet werden sollen, erfolgt das Aufbringen der Dispersion durch Eintauchen der Polymerfolie in die Dispersion.In the process of the invention, the application can the dispersion on the polymer film z. B. by imprinting, pressing on, Pressing Rolling up, doctoring, painting, dipping, spraying or infusion. Particularly preferred, in particular if both sides of the polymer film to be coated takes place the application of the dispersion by immersing the polymer film in the dispersion.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von keramischem Kompositmaterial kann z. B. so durchgeführt werden, dass die Polymerfolie von einer Rolle abgerollt wird, mit einer Geschwindigkeit von 1 m/h bis 2 m/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min. bis 20 m/min durch zumindest eine Apparatur, welche die Dispersion auf eine oder zwei Seiten der Folie aufbringt und/oder in die Folie einbringt, wie z. B. eine Walze, und zumindest eine weitere Apparatur, welche das Verfestigen der Dispersion ermöglicht, wie z. B. ein ggf. beheiztes Gebläse durchläuft und das so hergestellte keramische Kompositmaterial auf einer zweiten Rolle aufgerollt wird. Auf diese Weise ist es möglich, das keramische Kompositmaterial im Durchlaufverfahren herzustellen. Auch gegebenenfalls notwendige Vorbehandlungsschritte, wie z. B. das Perforieren der Folie kann im Durchlaufverfahren unter Beibehaltung der genannten Parameter durchgeführt werden.The inventive method for the preparation of ceramic composite material may, for. B. carried out so be that the polymer film is unrolled from a roll, with a speed of 1 m / h to 2 m / s, preferably with a Speed of 0.5 m / min. up to 20 m / min through at least one Apparatus which disperses on one or two sides of the film applies and / or brings in the film, such as. B. a roller, and at least one other apparatus, which solidifies the Dispersion allows such. B. a possibly heated fan passes through and the ceramic composite material thus prepared rolled up on a second roll. That's the way it is possible, the ceramic composite material in a continuous process manufacture. Also possibly necessary pretreatment steps, such as As the perforation of the film can in a continuous process under Maintaining the mentioned parameters are carried out.
Die erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterialien bzw. die erfindungsgemäß hergestellten keramischen Kompositmaterialien können als keramische Kompositmaterialien in Batterien, insbesondere als keramische Kompositmaterialien in Lithiumbatterien (Lithium-Ionen-Batterien), vorzugsweise Lithium-Hochleistungs- und Hochenergiebatterien verwendet werden. Sie dienen dann zur Isolierung einer Anode gegenüber einer Kathode innerhalb einer elektrochemischen Zelle.The ceramic composite materials according to the invention or the ceramic produced according to the invention Composite materials can be used as ceramic composite materials in batteries, in particular as ceramic composite materials in Lithium batteries (lithium-ion batteries), preferably lithium high-performance and high energy batteries are used. They then serve for insulation an anode to a cathode within an electrochemical Cell.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein keramisches Kompositmaterial, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterialn zum Isolieren einer Anode gegenüber einer Kathode innerhalb einer elektrochemischen Zelle.object Therefore, the invention is also a ceramic composite produced by the method according to the invention, and the Use of a ceramic according to the invention Composite materials for insulating an anode from one another Cathode inside an electrochemical cell.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die eine elektrochemische Zelle umfassend eine Anode, eine Kathode, einen Elektrolyten und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten, erfindungsgemäßen keramischem Kompositmaterial.object The invention further comprises an electrochemical cell an anode, a cathode, an electrolyte and an intermediate the anode and the cathode arranged ceramic according to the invention Composite material.
Bei der elektrochemischen Zelle handelt es sich bevorzugt um eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie.at the electrochemical cell is preferably a lithium-ion secondary battery.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterialien kann durch einfaches Zusammenlegen zwischen die Elektroden erfolgen, aber auch durch Laminierung eines Stapels bestehend aus Anode – Keramisches Kompositmaterial – Kathode. Solche Lithium-Batterien können als Elektrolyten z. B. Lithiumsalze mit großen Anionen in Carbonaten als Lösemittel aufweisen. Geeignete Lithiumsalze sind z. B. LiClO4, LiBF4, LiAsF6 oder LiPF6, wobei LiPF6 besonders bevorzugt ist. Als Lösemittel geeignete organische Carbonate sind z. B. Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat oder Diethylcarbonat oder Mischungen davon.The use of the ceramic composite materials according to the invention can be carried out by simple folding between the electrodes, but also by lamination of a stack consisting of anode - ceramic composite material - cathode. Such lithium batteries can be used as electrolytes z. B. have lithium salts with large anions in carbonates as a solvent. Suitable lithium salts are, for. LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 or LiPF 6 , with LiPF 6 being particularly preferred. As solvents suitable organic carbonates are, for. Example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate or mixtures thereof.
Lithiumbatterien, die ein erfindungsgemäßes keramisches Kompositmaterial aufweisen, können insbesondere in Fahrzeugen mit Vollelektroantrieb oder einer Hybridantriebstechnik eingesetzt werden, wie z. B. Vollelektroautos, Hybridautos oder Elektrozweiräder, aber auch in tragbaren elektronischen Geräten wie Laptops, Kameras, Mobiltelefonen, sowie in tragbaren Elektrowerkzeugen.Lithium batteries a ceramic composite material according to the invention can, in particular, in vehicles with full electric drive or a hybrid drive technology can be used, such. B. full electric cars, Hybrid cars or electric bicycles, but also in portable electronic devices such as laptops, cameras, mobile phones, as well as in portable power tools.
Ebenso können die Lithiumbatterien mit dem erfindungsgemäßen keramischen Kompositmaterial in stationären Anwendungen eingesetzt werden wie bei der netzunabhängigen, stationären Strom-Versorgung mit Hilfe von Batterien (Auxillary Power Systems), bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung und bei der Bereitstellung von Regelenergie.As well can the lithium batteries with the inventive ceramic composite material in stationary applications be used as in the off-grid, stationary Power supply by means of batteries (Auxillary Power Systems), in the uninterruptible power supply and in the provision of control energy.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die vorliegende Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Beispiele unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sei. Es zeigen:The The present invention will now be described by way of the following examples explained in more detail with the aid of the accompanying drawings without departing from the invention to the described embodiments is limited. Show it:
Tabelle 1: Daten von Pulvertypen.table 1: data of powder types.
In
der schematischen Darstellung der
Da das Trägersubstrat beiderseits mit etwa fünf Partikellagen beschichtet ist, beträgt die Gesamtstärke S des keramischen Kompositmaterials lediglich 15 μm.There the carrier substrate on both sides with about five particle layers is coated, the total thickness is S of ceramic composite material only 15 microns.
Ein
erfindungsgemäßes keramisches Kompositmaterial
kann wie folgt hergestellt werden:
Zunächst wird eine
unperforierte PET-Polymerfolie bereitgestellt und gelocht, sodass
die Polymerfolie eine wie in den
First, an unperforated PET polymer film is provided and punched, so that the polymer film as in the
Sodann wird ein Schlicker hergestellt. Dazu werden zunächst eine 10 Massen-%ige Lösung eines Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Copolymer (PVdF-co-HFP) mit einem molaren Monomerverhältnis von 9 zu 1, der Firma Arkema, Produktbezeichnung Kynar Flex 2801, in Aceton hergestellt. Zu 4500 mL dieser Lösung wird unter Rühren 3153 g eines 55 Massen-%igen Gemisches aus Aluminiumoxid der Firma Alcoa, Produktbezeichnung CT3000, und Aceton und 4 g Salpetersäure hinzugemischt. Als Rührer wird ein Flügelrührwerk eingesetzt. Zum Mischen wird 1 Stunde bei 300 upm gerührt. Zur weiteren Zerkleinerung von Agglomeraten wird die so erhaltene Mischung einer Ultraschallbehandlung (ca. 2 Stunden) unterzogen. Hierfür kann das Gerät UP 400 S der Firma Hielscher verwendet werden. Die Behandlung wird so lange durchgeführt, bis in dem Schlicker keine Partikel vorhanden sind, die eine Partikelgröße von > 10 μm aufweisen. Dies kann durch Filtrieren durch ein Filtergewebe mit 10 μm Maschenweite sowie durch Verdampfung des Lösungsmittels mit anschließender Sichtkontrolle sichergestellt werden.thereupon a slip is made. This will be a first 10% by mass solution of a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-co-HFP) with a molar monomer ratio of 9 to 1, the company Arkema, product name Kynar Flex 2801, in acetone produced. To 4500 mL of this solution is added with stirring 3153 g of a 55% by mass mixture of alumina from the company Alcoa, product name CT3000, and acetone and 4 g nitric acid mixed in. The stirrer is a sash agitator used. For mixing, it is stirred for 1 hour at 300 rpm. For further comminution of agglomerates, the so obtained Mixture subjected to sonication (about 2 hours). For this purpose, the device UP 400 S Hielscher be used. The treatment is done so long until the slurry no particles are present, the one particle size of> 10 μm exhibit. This can be done by filtering through a filter cloth with 10 μm mesh size and by evaporation of the solvent be ensured with subsequent visual inspection.
Es hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von handelsüblichen Oxidpartikeln unter Umständen zu unbefriedigenden Ergebnissen führt, da häufig eine sehr breite oder polymodale Korngrößenverteilung vorliegt. Es werden deshalb bevorzugt Metalloxidpartikel eingesetzt, die durch ein herkömmliches Verfahren, wie z. B. Windsichten und Hydroklassieren klassiert wurden. Bevorzugt werden als Oxidpartikel solche Fraktionen eingesetzt, bei denen der Grobkornanteil, welcher bis zu 10% der Gesamtmenge ausmacht, durch Nasssiebung abgetrennt wurde. Dieser störende Grobkornanteil, der auch durch die bei der Herstellung der Suspension typische Verfahren wie etwa Mahlen (Kugelmühle, Attritormühle, Mörsermühle), Dispergieren (Ultra-Turrax, Ultraschall), Zerreiben oder Zerhacken nicht oder nur sehr schwer zerkleinert werden kann, kann z. B. bestehen aus Aggregaten, harten Agglomeraten, Mahlkugelabrieb. Durch die vorgenannten Maßnahmen wird erreicht, dass die Beschichtung eine sehr gleichmäßige Porengrößenverteilung aufweist.It has been found to be the use of commercial Oxide particles may lead to unsatisfactory results leads, as often a very broad or polymodal Grain size distribution is present. It will therefore preferably metal oxide particles used by a conventional Method, such. For example, air classification and hydroclassification have been classified. Preference is given to using such fractions as oxide particles, in which the coarse grain fraction, which is up to 10% of the total amount characterized, was separated by wet sieving. This disturbing Coarse grain, which also by the production of the suspension typical processes such as milling (ball mill, attritor mill, Mortar mill), dispersing (Ultra-Turrax, ultrasound), Grinding or chopping is not or only very difficult crushed can be, for. B. consist of aggregates, hard agglomerates, Grinding media attritus. The above measures will ensures that the coating is a very uniform Having pore size distribution.
Tabelle
1 gibt eine Übersicht, wie sich die Wahl der verschiedenen
Aluminiumoxide auf die Porosität und die resultierende
Porengröße der jeweiligen porösen Beschichtung
auswirkt. Zur Ermittlung dieser Daten wurden die entsprechenden
Schlicker (Suspensionen oder Dispersionen) hergestellt und als reine
Formkörper bei 200°C getrocknet und verfestigt.
Unter
der mittleren Porengröße und der Porosität
ist die mittlere Porengröße und die Porosität
zu verstehen, die nach der bekannten Methode der Quecksilber-Porosimetrie bestimmt
werden kann, z. B. unter Verwendung eines Porosimeter 4000 von Carlo
Erba Instruments. Der Quecksilber-Porosimetrie liegt die Washburn-Gleichung
zu Grunde (
Bei
der Herstellung der Keramikdispersionen können unter Umständen
unbefriedigende Ergebnisse erhalten werden. In dem Fall kann es
von Vorteil sein, der Formulierung Dispergierhilfsmittel (z. B.
Dolapix CE64 von Zschimmer und Schwarz) und/oder Entlüfter
und/oder Entschäumer und/oder Netzmittel (bei den letzten
drei kann es sich beispielsweise um organisch modifizierte Silicone,
Fluortenside oder Polyether handeln, die z. B. bei der Evonik Degussa
GmbH oder TEGO erhältlich sind) und/oder Silane zuzusetzen,
um dadurch eine verbesserte Verarbeitbarkeit und im Produkt eine
Vernetzung der Keramik zu erreichen. Diese Silane haben die allgemeine
Formel
Es kann vorteilhaft sein, die fertige Dispersion vor dem Aufbringen auf die Polymerfolie zu behandeln. So kann es insbesondere vorteilhaft sein, die Dispersion mit Ultraschall zu behandeln, um sich evtl. gebildete Agglomerate zu zerschlagen und so sicherzustellen, dass in der Suspension nur Teilchen, mit der gewünschten maximalen Partikelgröße vorhanden sind. In jedem Fall ist es erforderlich, ein Absetzen bzw.It may be advantageous, the finished dispersion before application to treat the polymer film. So it can be particularly beneficial be to treat the dispersion with ultrasound to possibly. smash formed agglomerates and thus ensure that in the suspension only particles, with the desired maximum Particle size are present. In any case it is necessary to stop or
Reagglomerieren der Keramikpartikel durch kontinuierliches Rühren zu verhindern.re-agglomerate To prevent the ceramic particles by continuous stirring.
Der Schlicker wird dann auf die bereits perforierte, als Trägersubstrat dienende PET-Folie aufgebracht. Das Aufbringen des Schlickers auf die Folie erfolgt durch manuelles Eintauchen der Folie in den Schlicker. Nach dem Herausziehen der Folie aus dem Schlicker wird senkrecht haltend abgetropft. Nach dem Abtropfen von überschüssigem Schlicker wird die mit dem Schlicker beschichtete Folie an der Luft bei Raumtemperatur für 12 Stunden getrocknet.Of the Slip is then applied to the already perforated, as a carrier substrate serving PET film applied. The application of the slip on The film is made by manually dipping the film in the slurry. To the withdrawal of the film from the slurry is held vertically drained. After draining excess Slip is the film coated with the slurry in the air dried at room temperature for 12 hours.
Eine
auf diese Weise hergestelltes keramisches Kompositmaterial wurde
analysiert:
Bestimmung der Gurley-Zahl: Die Gurley-Zahl ist
ein Maß für die Gasdurchlässigkeit eines
porösen Werkstoffs. Sie ist definiert als die Zeit, die
benötigt wird, damit 100 cm3 Luft
durch einen inch2 einer Probe bei einem
Druck von 12,2 inch bzw. 30,988 cm Wassersäule, diffundieren.
Eine schematische Darstellung der Gurleyapparatur ist in
Determination of the Gurley Number: The Gurley Number is a measure of the gas permeability of a porous material. It is defined as the time required for 100 cm 3 of air to diffuse through one inch 2 of a sample at a pressure of 12.2 inches and 30.988 cm of water, respectively. A schematic representation of the Gurley apparatus is in
Mit
einem Stanzeisen (15 mm nach
Durchführung der Messung: Jetzt wird der Zweiwegehahn an der Schliffhülse geöffnet. Sobald der Meniskus des Ethylenglykols die zweite Ringmarke passiert wird die Stoppuhr gestartet und an der dritten Ringmarke gestoppt. Der Zweiwegehahn muss wieder geschlossen werden. Es erfolgt eine Wiederholung der Messung.execution the measurement: Now the two-way cock on the ground sleeve open. Once the meniscus of ethylene glycol the second Ring mark passes the stopwatch is started and at the third Ring mark stopped. The two-way cock must be closed again. There is a repetition of the measurement.
Berechnung: Die Dichte von Polyethylenglycol 400 beträgt 1,113 g/cm3. Der Faktor für die Dichtekorrektur beträgt somit 0,885. Der Durchmesser der Membran bei der Messung beträgt 1 cm. Daraus folgt eine Fläche von 0,785 cm2. Da sich die Gurleyzahl auf eine Fläche des keramischen Kompositmaterials von 1 inch2 bezieht, wird die Zeit durch die Fläche geteilt. Weiterhin wird statt 100 cm3 nur 10 cm3 als Messvolumen verwendet. Somit lautet die Gleichung für die Gurleyzahl: Calculation: The density of polyethylene glycol 400 is 1.113 g / cm 3 . The factor for the density correction is thus 0.885. The diameter of the membrane in the measurement is 1 cm. This results in an area of 0.785 cm 2 . Since the Gurley number refers to an area of the ceramic composite of 1 inch 2 , the time is divided by the area. Furthermore, instead of 100 cm 3 only 10 cm 3 is used as the measurement volume. Thus, the equation for the Gurley number is:
Bei einer ersten Probe wurde als nach dem Beschichten der mit dem Schlicker ein Material erhalten, welches eine Stärke S von 8 μm, ein Flächengewicht von 31 g/m2 und eine Gurley-Zahl von 73 Sekunden aufweist.In a first sample, after coating with the slurry, a material having a thickness S of 8 μm, a basis weight of 31 g / m 2, and a Gurley number of 73 seconds was obtained.
In einer zweiten Probe wurde die Folie zusätzlich auf ein Trägervlies auflaminiert. Nach dem Beschichten mit dem Schlicker wurde ein Material erhalten, welches eine Stärke S von 20 μm, ein Flächengewicht von 52 g/m2 und eine Gurley-Zahl von 89 Sekunden aufweist.In a second sample, the film was additionally laminated to a carrier fleece. After coating with the slurry, a material was obtained which has a thickness S of 20 μm, a basis weight of 52 g / m 2 and a Gurley number of 89 seconds.
Die Untersuchung der Anwendbarkeit des wie geschildert hergestellten keramischen Kompositmaterials erfolgte durch Bau einer Elektrochemischen Zelle in Gestalt einer Lithium-Ionen-Flachbatterie. Die Batterie bestand aus einer Positiv-Masse (LiCoO2), einer Negativ-Masse (Graphit) und einem Elektrolyten aus 1 mol/L LiPF6 in Ethylencarbonat/Dimethylcarbonat (Gewichtsverhältnis 1:1). Zur Herstellung der Elektoden wird Positiv-(3% Ruß (Fa. Timcal, Super P), 3% PVdF (Fa. Arkema, Kynar 761), 50% N-Methylpyrrolidon) bzw Negativ-Masse (1% Ruß (Fa. Timcal, Super P), 4% PVdF (Fa. Arkema, Kynar 761), 50% Methylpyrrolidon) in einer Schichtdicke von 100 μm auf Aluminium-(Fa. Tokai, 20 μm) bzw. Kupferfolie (Fa. Microhard, 15 μm) aufgerakelt und bis zur Gewichtskostanz bei 110°C getrocknet. Die beiden oben erwähnten Proben wurden als keramisches Kompositmaterial zwischen den Elektroden der Batterie verwendet. Die Batterie lief jeweils stabil über mehr als 100 Zyklen.The investigation of the applicability of the ceramic composite material as described produced by construction of an electrochemical cell in the form of a lithium-ion flat battery. The battery consisted of a positive mass (LiCoO 2 ), a negative mass (graphite) and an electrolyte of 1 mol / L LiPF 6 in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (weight ratio 1: 1). To produce the electrodes, positive (3% carbon black (Timcal, Super P), 3% PVdF (Arkema, Kynar 761), 50% N-methylpyrrolidone) or negative (1% carbon black (Timcal , Super P), 4% PVdF (Arkema, Kynar 761), 50% methylpyrrolidone) in a layer thickness of 100 microns on aluminum (Tokai 20 microns) or copper foil (Microhard, 15 microns) aufgerakelt and dried to weight consistency at 110 ° C. The two above-mentioned samples were used as a ceramic composite material between the electrodes of the battery. The battery ran stably for more than 100 cycles.
Ein
Diagramm (Kapazität vs. Lade/Entlade-Zyklus) des Lade-Verhaltens
ist in
- 11
- Keramisches Kompositmaterialceramic composite
- 22
- Polymerfolie als Trägersubstratpolymer film as a carrier substrate
- 33
- Partikelparticle
- 44
- Beschichtungcoating
- 55
- Brücken des Bindersbridges of the binder
- 66
- Löcher, die Perforation bildendholes, forming the perforation
- dd
- Durchmesser Lochdiameter hole
- DD
- Abstand zweier benachbarter Löcherdistance two adjacent holes
- d50 d 50
- mittlere Partikelgrößemiddle particle size
- ff
- Stärke der FolieStrength the foil
- SS
- Stärke des keramischen KompositmaterialsStrength of the ceramic composite material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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