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Novel porous membranes with enhanced stability as lithium ion battery separator

Knoche, Thomas

With the recent advance in consumer devices such a smartphones, tablets, laptops and power tools, and the future potential growth of the electric vehicle market, energy storage is of global interest, with the Li-ion technology showing the highest potential. Many research groups are working on the development of new materials for electrode materials in hopes of increasing energy density. Less research is committed to separators which are a crucial part in state of the art Li-ion batteries as they prevent contact between anode and cathode and therefore avoid short-circuiting of the battery while at the same time allowing sufficient flow of Li-ions. Especially for electric vehicles, safety is an integral part of the viability of this technology, requiring separators that combine high performance and high mechanical and thermal stability. This work outlines the current state of the art manufacturing process of battery separator membranes as well as the new EVAPORE® process developed by Brückner. The EVAPORE® process is used as a basis for the research presented herein. As this process was previously only possible in large scale on Brückners pilot line, a laboratory method was developed as a quick and cost-effective alternative. Using this method, an in-depth analysis of the morphology of separator membranes and pore formation mechanisms was carried out and is presented herein, deepening the general understanding of the EVAPORE® process. On the basis of the EVAPORE® process, a range of commercial temperature stable polymers were screened for their applicability in the process with the ultimate goal of increasing thermal stability of the separator. To that end, polymers were first evaluated based on their stability in typical battery electrolyte LP71, a requirement for use in modern Li-ion batteries. The most promising candidates were then used in the laboratory method to identify a suitable polymer-solvent combination which was then extruded and processed on a laboratory line and analyzed in terms of their crystalline morphology and typical separator membrane properties. In addition, to increase mechanical strength of a separator, high density polyethylene (HDPE) was in part replaced by different ultrahigh molecular weight polyethylene grades (UHMWPE). By processing UHMWPE on the laboratory as well as the pilot line it could be proven that mechanical strength could potentially be improved, similar to the well-established wet process. However, optimization of all line parameters is necessary, to achieve a high performance film fitting all application related requirements.

Durch die Verbreitung von Smartphones, Tablets, Laptops und Elektrowerkzeugen sowie dem erwarteten Wachstum der Elektromobilität in naher Zukunft ist Energiespeicherung von wachsender globaler Bedeutung. Die Li-Ionen Technologie weist dabei die größten Potentiale auf. Aktuelle Forschungen sind zumeist auf der Entwicklung neuer Materialien für Elektroden fokussiert mit dem Ziel einer gesteigerten Energiedichte. Weitaus weniger Beachtung findet die Separator Membran, die einen wichtigen Beitrag zur Funktion einer typischen Li-Ionen Batterie beiträgt, indem diese den Kontakt zwischen den Elektroden und damit einen Kurzschluss der Batterie verhindert und zeitgleich Li-Ionen Diffusion ermöglicht. Die Durchsetzung der Elektromobilität ist im großen Maße von der Sicherheit dieser Technologie abhängig und erfordert Separatoren, die sowohl hohe Leistung als auch hohe mechanische und thermische Stabilität aufweisen. In der vorliegenden Arbeit werden die etablierten Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik als auch der von der Firma Brückner neu entwickelte EVAPORE® Prozess vorgestellt. Die Grundlage für die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse bildet der EVAPORE® Prozess. Da dieser Prozess bisher nur auf der Pilotanlage der Firma Brückner möglich war, wurde eine schnelle und kosteneffiziente Labormethode entwickelt, die für tiefgehende Analysen der Separator Morphologie und des Porenformierungsprozesses verwendet wurde. Zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften wurden typische kommerzielle temperaturbeständige Polymere hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit in den EVAPORE® Prozess evaluiert. Um eine ausreichende Stabilität in modernen Li-Ionen Batterien zu gewährleisten wurden ausgewählte Polymere zunächst auf ihre Stabilität in Batterieelektrolyt LP71 geprüft. Die chemisch stabilen Polymere wurden dann mittels der Labormethode mit verschiedenen Lösemitteln verarbeitet mit dem Ziel eine geeignete Materialkombination zu identifizieren, die eine Verarbeitung nach dem EVAPORE® Prozess ermöglicht und gleichzeitig eine poröse Struktur ausbildet. Im letzten Schritt wurde die potentiell beste Materialkombination auf Brückners Laboranlage extrudiert und verstreckt. Die erhaltenen Filme und Separator Membranen wurden auf ihre Morphologie und typische Separator Eigenschaften untersucht. Neben der Erhöhung der thermischen Eigenschaften wurde eine Verbesserung der mechanischen Integrität angestrebt durch Einsatz von „ultrahigh molecular polyethylene“ (UHMWPE) statt dem standardmäßig verwendetem „high-density polyethylene“ (HDPE). Durch Übertragung des EVAPORE® Prozesses auf UHMWPE auf Brückners Laboranlage konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften vergleichbar mit dem etablierten Nass-Prozess möglich ist. Es sind jedoch weitgehende Optimierungen der komplexen Anlageneinstellungen nötig um sowohl eine hohe Leistung als auch alle anwendungsbezogenen Anforderungen an den Separator zu erfüllen.

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Knoche, Thomas: Novel porous membranes with enhanced stability as lithium ion battery separator. 2016.

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