08.05.2023 von Aileen Sammler
Die Bedeutung von Kunststoffen für die Energiespeicherfunktion in Batterien
Kunststoff im Automobil ist bereits seit Jahrzehnten gängige Praxis. Auch in Batterien kommen Kunststoffe mehr und mehr zum Einsatz: Sie werden von Beginn an als Gehäuse, für Kabel und Stecker verwendet. Durch ihren vermehrten Einsatz im Energiespeicher selbst stellen sie zudem heute eine wichtige Grundlage für den Vormarsch der E-Mobilität dar.
Die Rolle von Kunststoffen als Energiespeicher
Die Energiespeicherfunktion der Batterien wird hauptsächlich durch die verwendeten Materialien und Konstruktionsprinzipien bestimmt. Kunststoffe spielen hierbei eine wesentliche Rolle, obwohl sie nicht direkt als elektrische Leiter verwendet werden können. Sie werden in der Konstruktion von Batterien als Isolatoren, Trennmaterialien, Gehäuse und Elektrolytmembranen eingesetzt und tragen dazu bei, die chemische Stabilität und Lebensdauer der Batterien zu erhöhen, sowie eine sichere und effiziente Leistung zu gewährleisten.
Ein Beispiel dafür sind Lithium-Ionen-Batterien, die in zahlreichen Anwendungen wie Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeugen und Stromspeichersystemen zum Einsatz kommen. Kathode und Anode der Lithium-Ionen-Batterien sind oft mit Kunststoffbeschichtungen überzogen, um eine Isolation und einen Langzeit-Schutz gegenüber unerwünschten chemischen Reaktionen und Korrosion zu gewährleisten. Im Mobilitätsbereich werden zudem Anforderungen an die Thermische StabilitätEin Material ist thermisch stabil, wenn es sich unter Temperatureinfluss nicht zersetzt. Eine Möglichkeit, die thermische Stabilität einer Substanz zu bestimmen ist die Verwendung eines TGA (thermogravimetrischer Analysator).thermische Stabilität gestellt.
Es gibt verschiedene Kunststoffe, die in Batterien eingesetzt werden und jeweils unterschiedliche Speicherfunktionen erfüllen. Einen Überblick der wichtigsten Kunststoffe und ihrer Funktionen erhalten Sie im Folgenden:
Thermische Analysegeräte und Rheometer von NETZSCH helfen, die idealen Eigenschaften der Kunststoffe herauszufinden
Hier einige Beispiele:
Thermische Analyse wird verwendet, um die thermischen Eigenschaften von Kunststoffen zu charakterisieren, wie zum Beispiel Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelztemperatur, GlasübergangstemperaturDer Glasübergang gilt als eine der wichtigsten Eigenschaften amorpher und teilkristalliner Materialien, wie z.B. anorganische Gläser, amorphe Metalle, Polymere, Pharmazeutika und Lebensmittel, usw., und bezeichnet den Temperaturbereich, in dem sich die mechanischen Eigenschaften des Material von einem harten und spröden Zustand in einen weicheren, verformbaren oder gummiartigen Zustand ändern.Glasübergangstemperatur, Kristallinität und WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit. Die Schmelztemperatur, die mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) gemessen werden kann, beispielweise spielt bei der Entwicklung von Trennmaterialien für Batterien eine wichtige Rolle: Wenn das Trennmaterial bei hohen Temperaturen schmilzt und die Elektroden kurzgeschlossen werden, kann dies zu einer thermischen Reaktion und einer Erhöhung der Betriebstemperatur der Batterie führen. Eine Erhöhung der Betriebstemperatur kann die Leistung und die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen, indem sie die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie beschleunigt und die Zersetzung des Elektrolyten beschleunigt.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) wird genutzt, um die Stabilität der Kunststoffe bei erhöhten Temperaturen im Einsatzbereich zu testen.
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) kommt zum Einsatz, um die Langzeitperformance bei Raumtemperatur oder auch bei erhöhten Temperaturen vorherzusagen.
Rheologische Untersuchungen unterstützen Sie, die idealen Eigenschaften von Kunststoffen für den Einsatz in Batterien zu bestimmen: Indem das Fließverhalten von Materialien analysiert wird, werden Viskosität, Elastizität und Plastizität von Kunststoffen charakterisiert. Zum Beispiel ist die Viskosität bei der Entwicklung von Beschichtungen für Elektroden von zentraler Bedeutung, da sie beeinflusst, wie gleichmäßig die Beschichtung aufgetragen wird und wie gut sie haftet.
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