In Lithium-Ionen-Batterien bilden Elektrolyt und Separator zusammen mit Kathode und Anode die vier Kernmaterialien. Während Kathode und Anode die maximale Energiedichte bestimmen, kann der Elektrolyt als das „Blut“ der Batterie betrachtet werden, während der Separator als „Sicherheitsventil“ für Ordnung und Sicherheit sorgt. Gemeinsam bestimmen sie, ob Lithium-Ionen effizient, sicher und stabil innerhalb der Batterie transportiert werden können und spielen somit eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit der Batterie.

I. Das „Blut“ von Lithiumbatterien – Elektrolyt

Wie allgemein bekannt, wird der Elektrolyt als das „Blut“ einer Lithiumbatterie bezeichnet. Erst nach dem Einfüllen des Elektrolyten ist die Batterie voll funktionsfähig; andernfalls ist sie lediglich eine leere Hülle ohne Substanz. Man könnte sagen, dass mit dem Einfüllen des Elektrolyten der Batterie eine Seele verliehen wird und sie so augenblicklich zum Leben erwacht.

Der Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyt Besteht hauptsächlich aus organischen Lösungsmitteln, Lithiumsalzen und Zusatzstoffen.

• Organische Lösungsmittel

• Lithiumsalze

• Zusatzstoffe

Um die Stabilität des Elektrolyten zu gewährleisten, die Lade- und Entladeeffizienz zu verbessern und die Zyklenlebensdauer zu verlängern – oder um spezifische funktionelle Anforderungen zu erfüllen – wird üblicherweise eine geringe Menge an Additiven beigemischt. Typische Beispiele hierfür sind:

1. Filmbildende Additive: Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC)
2. Additive zur Verbesserung der Tieftemperaturleistung: DTD
3. Flammschutzmittel: Verbindungen auf Phosphatbasis

Obwohl Additive nur in geringen Mengen verwendet werden, haben sie oft einen erheblichen Einfluss auf die Batterieleistung.

2. Elektrolytherstellungsprozess
Der Herstellungsprozess des Elektrolyten ist relativ unkompliziert, erfordert jedoch eine strenge Umweltkontrolle und ein präzises Prozessmanagement.

Gemäß der Formulierung werden zunächst sorgfältig entwässerte Lösungsmittel im erforderlichen Verhältnis in einen Mischreaktor gegeben, der mit einer Inertgasatmosphäre (üblicherweise Stickstoff) geschützt ist. Anschließend wird ein Kühler aktiviert, um das Lösungsmittelgemisch abzukühlen. Sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird das Lithiumsalz unter Rühren langsam zugegeben, um eine vollständige Auflösung zu gewährleisten.

Bei diesem Prozess verläuft die Auflösung von Lithiumsalzen – insbesondere von LiPF₆ – exotherm, wodurch die Temperatur der Lösung ansteigt. Daher muss sowohl vor als auch während der Salzzugabe gekühlt werden. Das Lithiumsalz muss langsam und portionsweise zugegeben werden, wobei die Temperatur kontinuierlich überwacht werden muss, um eine Überhitzung und damit eine Beeinträchtigung der Elektrolytqualität zu vermeiden.

Nachdem sich das Lithiumsalz vollständig gelöst hat, werden die erforderlichen Zusätze hinzugefügt und gründlich vermischt. Sobald Probenahme und Prüfung die Einhaltung der Spezifikationen bestätigen, wird der Elektrolyt unter Druck in Edelstahlbehälter abgefüllt und vor der endgültigen Verpackung und Lagerung eine Zeit lang ruhen gelassen.

3. Wichtigste technische Parameter des Elektrolyten
Je nach Zusammensetzung und Kundenanforderungen können die Elektrolytspezifikationen variieren. Gängige technische Parameter sind:

• Ionenleitfähigkeit

Die Ionenleitfähigkeit ist eine der wichtigsten Eigenschaften eines Elektrolyten, da sie den Lithiumionentransport innerhalb der Batterie direkt beeinflusst. Eine hohe Leitfähigkeit ermöglicht das Laden und Entladen mit hohen Raten und Strömen.
Die Leitfähigkeit wird stark von der Lithiumsalzkonzentration und der Zusammensetzung des Lösungsmittels beeinflusst. Typischerweise liegt die Leitfähigkeit des Elektrolyten im Bereich von 5 bis 15 mS/cm.

• Dichte

Die Dichte wird hauptsächlich durch die Zusammensetzung des Lösungsmittels und die Lithiumsalzkonzentration beeinflusst. Höhere Anteile dichter Lösungsmittel oder ein höherer Salzgehalt führen zu einer höheren Elektrolytdichte. Der typische Bereich liegt bei 1,0–1,5 g/ml.

• Feuchtigkeitsgehalt

Feuchtigkeit ist ein entscheidender Parameter, der üblicherweise durch unzureichend getrocknete Rohstoffe oder während der Verarbeitung entsteht. Zu viel Feuchtigkeit kann dazu führen, dass Lithiumsalze mit Wasser reagieren und saure Verbindungen bilden, die die Batterieleistung beeinträchtigen.
Der Feuchtigkeitsgehalt muss im Allgemeinen unter 10 ppm liegen, mit einer Höchstgrenze von 20 ppm.

• Säure

Ein hoher Säuregehalt kann interne Batteriekomponenten korrodieren und Nebenreaktionen auslösen, was zu Kapazitätsverlust und schlechter Zyklenstabilität führt.

• Farbe (Farbart)

Ein geeigneter Elektrolyt sollte farblos und transparent sein. Unsachgemäße Handhabung oder bestimmte Zusätze können zu Verfärbungen führen. Batteriehersteller legen in der Regel keinen allzu strengen Wert für die Farbe an; Werte unter 50 gelten im Allgemeinen als akzeptabel, höhere Werte hingegen als fehlerhaft.

• Viskosität

Die Viskosität beeinflusst die Mobilität von Lithiumionen. Idealerweise ist eine niedrigere Viskosität wünschenswert. Elektrolyte mit höherem Lithiumsalzgehalt oder höherem EC-Gehalt weisen tendenziell eine höhere Viskosität auf, während solche mit einem hohen Anteil an linearen Carbonaten im Allgemeinen eine niedrigere Viskosität aufweisen.

• Ionische Verunreinigungen

Bei anspruchsvollen Anwendungen werden ionische Verunreinigungen – insbesondere Metallionen wie Kupfer und Eisen – streng kontrolliert. Diese Verunreinigungen können interne Reaktionen auslösen und Sicherheitsrisiken bergen, weshalb strenge Grenzwerte gelten.

Neben der Erfüllung der oben genannten Spezifikationen sollte ein idealer Elektrolyt eine hohe Dielektrizitätskonstante, ein breites elektrochemisches Fenster, gute elektrochemische und thermische Stabilität, niedrige Kosten, Ungiftigkeit und hohe Sicherheit aufweisen. Diese Eigenschaften lassen sich jedoch oft nur schwer gleichzeitig erzielen. Beispielsweise weisen Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit und hoher Dielektrizitätskonstante üblicherweise eine höhere Viskosität auf und umgekehrt.

In den letzten Jahren haben das Streben nach höherer Energiedichte und die Entwicklung von Festkörperbatterien die Elektrolytindustrie beeinflusst. Angesichts des aktuellen Stands der Festkörperbatterietechnologie wird es jedoch noch lange dauern, bis sie flüssige Lithiumbatterien vollständig ersetzen können. Flüssige Lithium-Ionen-Batterien werden daher voraussichtlich auch in Zukunft dominieren, und der Elektrolytmarkt dürfte relativ stabil bleiben.

II. Das „Sicherheitsventil“ von Lithiumbatterien – Separator

Der Lithium-Ionen-Batterieseparator Die Isolierschicht ist ein weiterer unverzichtbarer Bestandteil von Lithiumbatterien und eines der vier Hauptmaterialien. Sie besteht typischerweise aus einer weißen, porösen Polymerfolie aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP). Ihre Hauptfunktion ist die physikalische Trennung von Kathode und Anode, wodurch interne Kurzschlüsse verhindert werden.

1. Funktionen des Separators

• Um Kathode und Anode zu isolieren und interne Kurzschlüsse zu verhindern
• Um Wege für den Lithiumionentransport während des Lade- und Entladevorgangs bereitzustellen (Elektronen blockieren, Ionen aber passieren lassen)

2. Arten und Herstellungsverfahren von Separatoren

Mit umfassender Erfahrung in der Laborforschung und -entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, Anlagen zur Zellfertigung und Lösungen für die Montage von Batteriepacks, Acey New Energy engagiert sich für die Unterstützung von Forschern, Herstellern und neuen Marktteilnehmern beim Aufbau effizienter, zuverlässiger und skalierbarer Systeme. Produktionslinien für Lithiumbatterien Von der Materialbewertung und Prozessentwicklung bis hin zur kompletten Integration in Produktionslinien bietet Acey New Energy professionellen technischen Support und umfassende Lösungen für die sich entwickelnde Lithium-Ionen-Batterieindustrie.