Magazine Juli 2015

Die textile Welt im Blick: von Batterien bis Kunstrasen

Anwendungsmöglichkeiten von Batteriesystemen

Die Energiewende und die Trends in der Elektromobilität fordern die Verbesserung von bestehenden Materialien oder Innovationen mit komplett neuen Ansätzen. Daher stehen in zahlreichen Forschungsprojekten und in der Batterieindustrie neue Materialprofile in Kombination mit industrieller Anlagentechnik für kostengünstige und effiziente Energiespeicher im Fokus.

Hand in Hand mit dieser Entwicklung steigt auch die Nachfrage nach technischen Textilien, speziell nach Vliesstoffen und deren vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. als Separator in Batteriesystemen.

Anforderungen an den Separator

Dem Separator kommt dabei die Aufgabe zu, die Kathode und Anode in Batterien (die negative und die positive Elektrode in Akkumulatoren) sowohl elektrisch als auch räumlich zu trennen und ein Elektrolyt aufzunehmen. Diese Barriere ist wichtig, um die Pole zu isolieren und Kurzschlüssen in den Batterien vorzubeugen, die Elektrolytaufnahme wiederum ist Voraussetzung für den Ionenfluss.

Die an den Separator gestellten Anforderungen sind:

Sollte die Durchlässigkeit des Mediums nicht gegeben sein, wird die Leistungsbereitstellung der Batterie negativ beeinflusst.

Sie steht für das Verhältnis der Poren zum Festkörperanteil und ist wichtig für die Aufnahme des Elektrolyts.

Je dicker der Separator ist, desto besser ist auch die Handhabung in der Fertigung der Batterie. Allerdings werden die Platzverhältnisse für Anode und Kathode negativ beeinflusst, wenn der Separator zu dick ist.

Diese sollte hoch sein, so dass sich der Separator schnell mit dem Elektrolyt anreichern kann.

Nur wenn diese gut ist, ist der Ionenfluss gewährleistet.

Der Separator darf nicht aufquellen, da sich das negativ auf die Leistung der Batterie auswirkt.

Es muss gewährleistet sein, dass der Separator seine Maßhaltigkeit bewahrt, da es sonst zu einem Kurzschluss innerhalb der Batterie kommen kann.

Diese sollte über die gesamte Lebensdauer der Batterie gewährleistet sein, sodass der Separator nichts von seiner Festigkeit und Struktur verliert und keine Verunreinigungen in der Batterie beim chemischen Prozess entstehen.

Die Elektrode darf den Separator nicht durchdringen, da das einen Kurzschluss auslösen würde.

Diese muss gewährleistet sein, da der Separator während des Fertigungsprozesses erhitzt werden muss.

Diese ist bei einigen Batterietypen während der Herstellung von Bedeutung, da sich der Separator beim Wickeln des Elektroden-/ Separatorpakets nicht zusammenziehen darf.

Sie sollte so klein und gleichmäßig wie möglich sein, sodass die Barriereeigenschaften vorhanden sind, aber der Ionentransport nicht behindert wird.

Die Kanten sollten komplett gerade sein, sodass kein Kontakt zu den Elektroden möglich ist.

Ab ca. 130°C sollte der Separator den Ionenfluss unterbrechen, aber dennoch seine mechanische Stabilität bewahren. Dieser Effekt soll vor einem Kurzschluss der Batterie und Überladung der Zelle schützen.

Nonwovens ziehen ein in die elektrotechnische Industrie

Diese zahlreichen Anforderungen zu erfüllen, stellt eine große Herausforderung an die Separatoren dar. Als Batterieseparator kommen mikroporöse Polymermembrane, anorganische Compositmembrane und Vliesstoffe in Frage. Hinzu kommt, dass der Preis ein weiteres, wichtiges Kriterium für die Auswahl des Separators ist. Der stetige Preisdruck und die immer wirtschaftlichere Produktion von Vliesstoffen sowie die Vielfältigkeit in der Rohstoffauswahl und die hohen Variationsmöglichkeiten führen dazu, dass Nonwovens in diesem aufstrebenden Industriezweig sehr gefragt sind.

Separatoren, die über viele Lade-/Entladezyklen hinweg stabil sein müssen, sind aus höherwertigen Materialien gefertigt als solche, die in preiswerten Wegwerfbatterien eingesetzt werden. Die heutige Batterieindustrie ist inzwischen ohne leistungsstarke Separatoren und somit ohne Nonwovens unvorstellbar.
Hauptsächlich gekrempelte und nassgelegte Vliesstoffe, Meltblown und Spinnvliesstoffe werden bei der Batterieherstellung als Separatoren eingesetzt. Sie werden meist noch vernadelt oder wasserstrahlverfestigt, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten, z.B. eine größere Oberfläche durch Verfilzung. Je nach Herstellungsverfahren und Einsatzgebiet werden die Vliesstoffe anschließend noch ausgerüstet, um weitere spezielle Effekte zu generieren. Hydrophilierung (Erhöhung der Eigenschaft zur Flüssigkeitsaufnahme) und keramische Ausrüstungen sind nur zwei Möglichkeiten für die Effizienzsteigerung der Batterie.

Separatoren für wiederaufladbare oder Sekundärbatterien

In Blei-Säure-Batterien werden Materialien eingesetzt, die den stark sauren und oxidativen Bedingungen standhalten. Hierzu eignen sich extrudierte oder gesinterte Separatoren aus Polyethylen, gesintertem PVC oder Matten aus Mikroglasfaservlies. Bei Nickel-Cadmium-Batterien im stark alkalischen Milieu der Kalilauge sind überwiegend Separatoren aus Polyamid sowie Polyethylen/Polypropylen-Kombinationen im Einsatz. Heute sind hier fast ausschließlich Vliesstoffe im Einsatz.

Die Voraussetzungen bei Nickel-Metallhydrid-Batterien sind dieselben wie bei Nickel-Cadmium-Batterien, nur dass hier der Batterieseparator zusätzlich in der Lage sein muss, die Selbstentladung zu verringern. Dies gelingt durch Funktionalisierung der Vliesstoff-Oberfläche mittels chemischer Behandlung, z.B. durch die Oberflächenbehandlung mit Acrylsäure oder die Sulfonierung.

Bei wiederaufladbaren Lithiumbatterien (Li-Batterien) setzt man überwiegend Membranen ein. Dabei handelt es sich um mikroporöse Folien, die teils aus mehreren Lagen bestehen können. Sie besitzen eine geringe Temperaturbeständigkeit und sind trotz des Einsatzes von keramischen Lagen in Separatoren sehr bruchempfindlich. Zur Zeit wird an Materialien geforscht, die auf einem sehr feinen Vliesstoff basieren, der keramisch beschichtet wird. Damit werden die Separatoren temperaturbeständiger und weniger bruchempfindlich. Dies verspricht eine erhöhte Sicherheit für wiederaufladbare, langzeitstabile und betriebssichere Speichermedien, insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.

Einsatzgebiet Elektromobilität: hohe Kapazität, schnelle Aufladbarkeit

Separatoren für nicht wiederaufladbare Batterien

Bei nicht wiederaufladbaren Li-Batterien oder Li-Primärbatterien sind entweder Vliesstoffe oder mikroporöse Folien im Einsatz. In nicht wiederaufladbaren Alkali-Mangan-Batterien werden vorwiegend Nonwovens aus einer Mischung von Polyvinylalkohol-Mikrofasern (PVA) und Zellulose als Separatoren eingesetzt. Ebenso werden inzwischen auch Laminate aus Vliesstoffen und Membranen, wie beispielsweise Cellophan, verwendet.

Die ideale Nadel für die vielfältigen Anwendungsfälle

Abhängig von den Anforderungen, die an den Vliesstoff als Batterieseparator gestellt werden, bietet Groz-Beckert zahlreiche Möglichkeiten, durch die passende Nadel im Herstellungsprozess die geforderten Eigenschaften zu erreichen oder den Separator zu optimieren. Aufgrund der hohen Prozessstabilität von Groz-Beckert Produkten und des daraus resultierenden, kontinuierlich hohen Qualitätsniveaus, können Effekte in den Fertigungsprozessen generiert werden, die ebenso kontinuierlich und reproduzierbar sind. Das spiegelt sich direkt im Separator und dessen Leistungsfähigkeit in der Batterie wider.

Die Auswahl der geeigneten Nadeltype richtet sich nach dem eingesetzten Rohstoff, der Faserfeinheit und dem gewünschten Effekt. Hier kann Groz-Beckert, mit der langjährigen Erfahrung im Vliesstoffbereich und zahlreichen exklusiven Nadeltypen, Anwendungsempfehlungen aussprechen. Die GEBECON®-, EcoStar- und Cross STAR®-Nadeln sind nur einige Typen, die sich bei der Separatorenherstellung bewährt haben.
Eine gängige Konfiguration der Nadelmaschinen in der Vliesstoffstraße zur Herstellung von Batterieseparatoren besteht häufig aus einer Vorvernadelung und Hauptvernadelung.

In der Vorvernadelung werden oft konische Nadeln mit einem Kerbenabstand von 4,80 mm und der Kerbenform RF eingesetzt. Konische Nadeln mit diesen Spezifikationen vereinen einen hohen Vernadelungseffekt mit definiertem und schonendem Fasertransport. Groz-Beckert Filznadeln mit konischem Arbeitsteil zeichnen sich im Vergleich zu Nadeln mit Standardarbeitsteil durch ihre wesentlich höhere Stabilität aus.

Beim Einsatz von sehr feinen Fasern oder Mikroglasfasern wie auch keramischen Fasern empfiehlt sich die HL-Kerbe in der Vorvernadelung, da sie die Fasern maximal schont und die Faserbruchdehnung minimiert. Ebenso eignen sich GEBECON®-Nadeln für die Vorvernadelung ganz besonders in der Feinst- und Mikrofaservernadelung, da sie die Gefahr von Nadelbruch auf ein Minimum reduzieren.

In der Hauptvernadelung werden meist Standard-Filznadeln mit einem C-Kerbenabstand und RF-Kerbenform eingesetzt. Diese garantieren eine effektive Verdichtung und bieten gleichzeitig die Möglichkeit, die Porengröße und die daraus resultierende Durchlässigkeit exakt einzustellen.

Mit EcoStar- und Cross STAR®-Nadeln können in der Hauptvernadelung gewisse Effekte (Porosität, Porengröße, Permeabilität, Hydrophilierung, u.v.m.) im Produkt beeinflusst werden.

Düsenstreifen

Groz-Beckert Düsenstreifen bieten sich für Batterieseparatoren an, die wasserstrahlverfestigt werden, um durch die Verfilzung der Fasern eine größere Oberfläche zu erzeugen. Mit nachhaltiger Sorgfalt und Kompetenz für Funktionsteile bietet Groz-Beckert Düsenstreifen (Jet Strips) in allen gängigen Dimensionen und Lochgeometrien an.

HyTec® D