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Batterieforschung

Die MacMullin-Zahl – wichtige Eigenschaft eines Batterieseparators

| Autor / Redakteur: Peter Krebs*, Sandro Haug*, Dr. Marcel Drüschler und Dr. Benedikt Huber** / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Funktionsweise eines Separators am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie [1]
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Abb. 1: Funktionsweise eines Separators am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie [1] (Bild: Deutsche Metrohm)

Die MacMullin-Zahl ist eine entscheidende Kenngröße, um die Leistungs-fähigkeit von Separatoren zu beschreiben, die essenzieller Bestandteil einer Vielzahl von Batterie- und Akkumulatorbauformen sind. Wie sich diese Größe einfach per schlüsselfertiger Lösung bestimmen lässt, lesen Sie hier.

Separatoren sind essenzieller Bestandteil einer ganzen Reihe von Batterie- und Akkumulatorbauformen, insbesondere von solchen mit flüssigem oder gelartigem Elektrolyt. Die Hauptaufgabe eines Separators ist es, einen Kontakt zwischen positiver und negativer Elektrode zu verhindern und gleichzeitig den Ionentransport nicht oder kaum merklich zu behindern. Dies gelingt vor allem mit porösen, elektronisch-nichtleitenden Membranen wie mikroporösen Faservliesen (Nylon, Baumwolle), Polymerfolien (Polyethylen, Polypropylen) und Naturstoffen (Asbest, Gummi).

Generell lassen sich folgende allgemeine Kriterien aufführen, nach denen die Eignung eines Materials als Separator bewertet werden kann [2]:

  • geringe elektronische Leitfähigkeit;
  • minimaler Widerstand für den Ionentransport (kleine MacMullin-Zahl);
  • Formstabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung;
  • chemische Inertheit gegenüber den anderen Bestandteilen der Zelle (Elektrolyt, Elektrodenmaterialien);
  • gute Barriere für Partikelwanderung, wobei unter Partikeln hier auch Bruchstücke der Elektroden zu verstehen sind;
  • sehr gute und schnelle Benetzung durch den Elektrolyten;
  • isotrope Eigenschaften und homogene Beschaffenheit;
  • niedrige Kosten.

Natürlich hängt die Rangfolge der Prioritäten der Kriterien von dem jeweiligen Zelltyp ab, weshalb sich für unterschiedliche Batterie- bzw. Akkumulatortypen auch unterschiedliche Separatormaterialien als optimale Kandidaten erweisen. In vielen Fällen, z.B. bei Blei-Säure-Akkumulatoren werden ganz spezifisch auf die Anwendung und dem damit verbundenen individuellen Zelldesign angepasste Materialien verwendet [2, 3].

MacMullin-Zahl als Kenngröße eines Separatormaterials

In diesem Artikel soll der Fokus auf den zweiten Punkt der obigen Auflistung allgemeiner Kriterien gelenkt werden: Der Widerstand für den Transport ionischer Spezies. Die Separatoren sollen die Leistungsfähigkeit der Batterie bzw. des Akkumulators während des Betriebs nicht dadurch begrenzen, dass sie eine Barriere für den Transport der Ionen darstellen.

Eine messbare Größe, welche hierüber bei gegebener Elektrolyt-Separator-Kombination Aufschluss gibt, ist die so genannte MacMullin-Zahl NM, benannt nach einer Arbeit von MacMullin und Muccini aus den 1950er Jahren zur Permeabilität poröser Materialien [4].

Diese Zahl ist definiert als das Verhältnis aus elektrischem Widerstand (RSeparator) von elektrolytgetränkter Probe und dem elektrischen Widerstand (RElektrolyt) des gleichen Volumens, wenn dieses ausschließlich mit Elektrolyt gefüllt ist [5]:

Bild: Deutsche Metrohm
Bild: Deutsche Metrohm

Die MacMullin-Zahl lässt sich alternativ auch über das Verhältnis der Leitfähigkeiten von elektrolytgetränkter Probe (σSeparator) und des reinen Elektrolyten (σElektrolyt) berechnen:

Bild: Deutsche Metrohm
Bild: Deutsche Metrohm

Typischerweise werden bei Polyo-lefinseparatoren für Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren mit nicht-wässrigen Elektrolyten MacMullin-Zahlen von 6 bis 7 erzielt, aber auch Werte von 10 bis 12 sind noch akzeptabel [2]. Ferner erlaubt die Ermittlung der MacMullin-Zahl noch einen Einblick in den mikroskopischen Aufbau des Materials, da sie eng mit dessen Tortuosität und Porösität verknüpft ist. Der interessierte Leser sei hier auf eine Veröffentlichung zu diesem Thema von Martínez et al. verwiesen [5].

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