Batterieseparator

Ein Batterieseparator hat die Aufgabe, Kathode und Anode in Batterien beziehungsweise negative und positive Elektrode in Akkumulatoren räumlich zu trennen. Der Separator muss eine Barriere sein, die die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert, um interne Kurzschlüsse zu vermeiden. Gleichzeiting muss der Separator jedoch durchlässig für Ionen sein, damit die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle ablaufen können.

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Ein Batterieseparator muss dünn sein, damit der Innenwiderstand möglichst gering ist und eine hohe Packungsdichte erzielt werden kann. Nur so sind gute Leistungsdaten und hohe Kapazitäten möglich. Weitere wichtige Funktionen des Separators sind, den Elektrolyten aufzusaugen und bei geschlossenen Zellen den Gasaustausch zu gewährleisten. Während früher u. a. Gewebe verwendet wurden, sind heutzutage überwiegend sehr feinporige Materialien im Einsatz wie Vliesstoffe und Membranen.

Als Batterieseparator kann auch eine einfache Konstruktion aus spritzgegossenen Kunststoffstegen dienen, wenn es nur darum geht, die Elektroden in einem bestimmten Abstand zu halten.

Eine Sonderform des Separators ist die Röhrchentasche. Diese wird aus zwei Lagen Gewebe bzw. Vliesstoff hergestellt, die zunächst mit einem Harz getränkt, dann miteinander vernäht und in eine bestimmte Röhrchenform gebracht wurden. Diese Röhrchen werden mit aktiver Masse befüllt und werden dann in Bleibatterien als Elektroden eingesetzt.

So wie es unterschiedliche Batteriesysteme gibt, müssen auch die darin eingesetzten Separatoren unterschieden werden nach dem Elektrolyten, dem sie im Verlaufe der Lebensdauer ausgesetzt sind. Ein weiteres Kriterium für die Separatorauswahl ist der Preis. Separatoren, die über viele Lade-/Entladezyklen hinweg stabil sein müssen, sind aus höherwertigen Materialien gefertigt als solche, die in preiswerten Wegwerfbatterien eingesetzt werden.

Separatoren für wiederaufladbare oder Sekundärbatterien

Blei/Säure-Batterien

Hier sind Materialien erforderlich, die den stark sauren und oxidativen Bedingungen standhalten können. Es kommen hier extrudierte oder gesinterte Separatoren aus Polyethylen, gesintertem PVC oder Matten aus Mikroglasfaservlies (AGM) in Frage.

Nickel-Cadmium-Batterien

Hier, im stark alkalischen Milieu der Kalilauge, sind überwiegend Separatoren aus Polyamid sowie Polyethylen/Polypropylen-Kombinationen im Einsatz. Heutzutage sind hier fast ausschließlich Vliesstoffe im Einsatz. Hydrophobe Polymere können durch Fluorierung oder Netzmittel hydrophil gemacht werden, so dass sie begierig den Elektrolyten aufnehmen.

Nickel/Metall-Hydrid-Batterien

Die Voraussetzungen sind hier dieselben wie bei Nickel-Cadmium-Batterien nur dass hier zusätzliche Anforderungen an den Batterieseparator gestellt werden. Er muss nämlich in der Lage sein, die Selbstentladung zu verringern. Dies gelingt durch Funktionalisierung der Vliesstoff-Oberfläche mittels chemischer Behandlung. Eine solche kann die Oberflächenbehandlung mit Acrylsäure oder die Sulfonierung sein.

Wiederaufladbare Lithiumbatterien

Hier setzt man überwiegend Membranen ein. Dabei handelt es sich um mikroporöse Folien, die teils auch aus mehreren Lagen bestehen können. Neuerdings wird mit großer Intensität an Materialien gearbeitet, die auf einem sehr feinen Vliesstoff basieren, welcher keramisch beschichtet wurde. Davon verspricht man sich eine erhöhte Sicherheit, insbesondere für den Einsatz in Hybridfahrzeugen.

Separatoren für nicht wiederaufladbare oder Primärbatterien

Nicht wiederaufladbare Li-Batterien oder Li-Primärbatterien

Auch hier sind mikroporöse Folien aber auch Vliesstoffe im Einsatz.

Nicht wiederaufladbare Alkali-Mangan-Batterien

In nicht wiederaufladbaren Alkali-Mangan-Batterien werden vorwiegend Vliesstoffe (englisch nonwovens) als Separatoren eingesetzt. Diese bestehen meist aus einer Mischung von Polyvinylalkohol-Mikrofasern (PVA) und Zellulose. Gelegentlich werden auch Laminate aus Vliesstoffen und Membranen, wie beispielsweise Cellophan verwendet. Spezielle Anforderungen an das Separatormaterial in Alkali-Mangan-Batterien sind gute Benetzung und hohe Aufnahmefähigkeit für die alkalische Elektrolytlösung. Der Porendurchmesser muss klein sein, um sogenannte Durchwachsungen des Separators durch Zink-Dendriten, die zum internen Kurzschluss führen, zu vermeiden. Wichtig ist auch ein niedriger Preis des Materials.

Nicht wiederaufladbare Zink-Kohle-Batterien

Bei diesem Batterietyp wird vorwiegend Papier als Separator eingesetzt.

Sonstige Batterien

Batterien, welche hohen Temperaturen ausgesetzt sind, erfordern temperaturbeständigere Materialien, z. B. temperaturbeständige Polymere aber auch immer noch in Einzelfällen Asbest.

Literatur

• Peter Kritzer, John Anthony Cook: Nonwovens as Separators for Alkaline Batteries - An Overview. Journal of the Electrochemical Society 154(5) A481-A494 (2007)