Unter Strom

Forscher entwickeln eine Kompositmembran und setzen dabei auf Methylcellulose, die aus pflanzlicher Cellulose gewonnen wird. Die neue Membran ist nachhaltiger, leistungsfähiger und sicherer als herkömmliche Batteriemembrane und kann künftig als Komponente in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.

Lithium-Ionen-Batterien finden aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit, Speicherkapazität und Kompaktheit in vielen Geräten Verwendung. Angefangen bei Armbanduhren über Smartphones und Laptops bis hin zu Elektroautos. Um die Energiespeicher stabiler, sicherer und noch leistungsfähiger zu machen, wird laufend an der Verbesserung einzelner Bauteile und Komponenten geforscht. Ein Forscherteam aus Asien hat nun eine neuartige Membran entwickelt, die künftig als Separator bei Lithium-Ionen-Batterien genutzt werden könnte.

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Zwischen Plus und Minus liegt der Separator

Der Separator ist ein wichtiges Bauteil mit zwei Funktionen. Er spielt nicht nur bei Lithium-Ionen-Batterien eine entscheidende Rolle, sondern auch bei allen anderen Batterietypen, wie zum Beispiel der Alkali-Mangan-Batterie. Auf der einen Seite trennt der Separator die beiden Elektroden, Kathode und Anode, räumlich voneinander ab. Auf der anderen Seite erlauben winzig kleine Poren den Transport von Ionen, wodurch ein Ladungstransport und Stromfluss erzeugt wird. Je nach Batterietyp werden unterschiedliche Separatoren aus unterschiedlichen Materialien wie zum Beispiel Vliesstoff oder Glasfaser verwendet, die im Vergleich zu der neu entwickelten Membran jedoch schwerer und voluminöser sind, was sich negativ auf die Effizienz auswirkt.

Kompositmembran auf Cellulosebasis

Bei der neu entwickelten Membran handelt es sich um eine Kompositmembran, also eine Membran aus verschiedenen Materialien. Diese besteht aus einer hauchdünnen Schicht aus Methyl-Cellulose (MC), die oben und unten von zwei dünnen porösen Polyvinylidenfluorid-Schichten (PVDF) umgeben ist. Methyl-Cellulose wird aus Cellulose gewonnen, die den Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden ausmacht. Sie ist die am häufigsten vorkommende organische Verbindung und wird als vielseitiger Rohstoff eingesetzt.

Vorteile der Kompositmembran

Die neu entwickelte Kompositmembran ist insgesamt 60 Mikrometer dünn und zeichnet sich neben dem geringeren Volumen und Gewicht durch eine höhere chemische Beständigkeit und Widerstandskraft gegenüber Hitze aus. Im Rahmen von weiteren Untersuchungen zeigte sich außerdem, dass die Kompositmembran in Kombination mit einer gelartigen Elektrolytlösung eine bessere Ionenleitfähigkeit und dementsprechend höhere Leistung aufwies, als eine einfache Methyl-Cellulose-Membran mit einer flüssigen Elektrolytlösung.

Elektrolyte sind feste bis flüssige Stoffe, die beim Anlegen einer Spannung elektrischen Strom leiten bzw. Ionen transportieren und daher zwischen den Elektroden innerhalb einer Batterie als Ionenleiter verwendet werden. Sie sind in flüssiger Form leitfähiger, im Gegenzug jedoch leichter entflammbar und daher im Rahmen einer industriellen Anwendung mit einem höheren Risiko verbunden als Festelektrolyte. Hinzu kommt, dass die Gefahr des Austretens und Auslaufen bei Flüssigelektrolyten höher ist. Daran anknüpfend wurde mit der Entwicklung der Kompositmembran somit nicht nur die Leistung der Lithium-Ionen-Batterien erhöht, sondern auch deren Sicherheit.

Neben den niedrigen Herstellungskosten, die einen nicht zu unterschätzenden Vorteil darstellen, heben die Forscher in ihrer Studie hervor, dass bei der Herstellung der Methyl-Cellulose-Membran keine umweltschädlichen Schadstoffe freigesetzt werden.