Lithium-Ionen-Batterien (LIB) stellen die wichtigste Energiespeichertechnologie für mobile Endgeräte, die Elektromobilität und stationäre Stromspeicher dar. Bei Überhitzung durch Überladung oder mechanischen Defekt der LIB besteht jedoch ein Sicherheitsrisiko aufgrund des thermisch instabilen Elektrolyten. Der Batterie-Separator gewährleistet die räumliche Trennung der Elektroden, verhindert so interne Kurzschlüsse und ist damit ein sicherheitsrelevantes Bauteil in LIB.
Die Ziele im Verbundprojekt GlasSeLIB – Glas-Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien lagen in der Verbesserung der Betriebssicherheit durch Erhöhung der Temperaturstabilität des Separators. Dabei wurde die Beibehaltung der Performance von LIB durch zum Stand der Technik vergleichbare Dicke und Porosität des Separators angestrebt. Die Separatorentwicklung wurde auf die Anforderungen der Industrie abgestimmt.
Als temperaturstabile Alternative zu bisher eingesetzten Polymerseparatoren wurde Glas als Separator-Werkstoff genutzt. Die Herstellung verschiedener Separatorkonzepte erfolgte durch wasserbasierte Glaspartikel-Schlicker. Partikel mit optimierter Größe und Form wurden dabei auf Trägerstrukturen (Polymerseparator bzw. Batterieelektrode) appliziert oder zu selbsttragenden Strukturen prozessiert.
Die Partner im GlasSeLIB-Projekt haben sich zum Ziel gesetzt, einen Glas-Separator zu entwickeln, der temperaturstabiler ist als bisherige Separatoren und zudem durch eine besondere Zusammensetzung chemisch aktiv ist und so die Zellalterung verlangsamt. Die größte fertigungstechnische Herausforderung ist die Reduktion der filigranen Glasmembranen auf unter 20 Mikrometer, was für den Einsatz in modernen Zellen zwingend erforderlich ist. Dazu werden an der Universität Bayreuth neue Glaszusammensetzungen und Fertigungsverfahren entwickelt und zusammen mit den Partnern Füller Glastechnologie und Vitrulan zu Glas-Separatoren verarbeitet und assembliert. Am Bayerischen Zentrum für Batterietechnik der Universität Bayreuth werden diese Separatoren unter Laborbedingungen getestet, bevor sie bei den Partnern VARTA und Tesla auf ihre Eignung für den Einsatz in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien geprüft werden.
Die Benetzbarkeit der Separatoren mit dem Batterieelektrolyten konnte zum Stand der Technik verbessert werden, wodurch der Zeitaufwand für die Elektrolytbefüllung während der Batterie-Assemblierung deutlich verkürzt wird. Zudem sind die Separatoren im Rolle-zu-Rolle-Verfahren fertigbar und in bestehende Zellfertigungslinien integrierbar. Im Rahmen von thermischen und elektrochemischen Tests wurden Stabilität und Leistungsfähigkeit der Glas-Separatoren in klein- und großformatigen Zellen nachgewiesen.
