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Batterieforschung

Die MacMullin-Zahl – wichtige Eigenschaft eines Batterieseparators

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Die MacMullin-Zahl als eine entscheidende Kenngröße eines Separatormaterials lässt sich mit dem schlüsselfertigen System, bestehend aus dem Messaufbau Microcell HC samt den Messzellen TSC 1600 und TSC battery von rhd instruments (s. Abb. 4) und einem Potentiostaten mit Impedanz-Modul von Metrohm (s. Abb. 3), bestimmen.

Dabei wird im ersten Schritt mittels einer vollautomatischen Leitfähigkeitsmessung unter Temperaturkontrolle die Leitfähigkeit des reinen Elektrolyten ermittelt. Die genaue Vorgehensweise kann in der entsprechenden Metrohm-Application-Note nachgelesen werden [6].

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Im zweiten Schritt wird die Messzelle TSC battery mit dem elektrolytgetränkten Separator beladen. Um eine optimale Benetzung der Poren zu garantieren, sollte das Material zuvor mindestens 24 Stunden in dem Elektrolyten eingelegt werden. Nach Aufnahme eines Impedanzspektrums (s. Abb. 5) im 2-Elektrodenaufbau wird der Widerstand für den Ionentransport durch die Probe mittels Software automatisch ermittelt. Dabei werden die Parameter der Komponenten eines vorgegebenen Ersatzschaltbildes, das auf einem physikalischen Modell der Zelle basiert, an die Messdaten angepasst.

Über die bekannte Geometrie des Separators (Dicke d und Fläche A) und dem gemessenen elektrischen Widerstand (RSeparator) lässt sich in einfacher Weise die spezifische Leitfähigkeit berechnen:

Bild: Deutsche Metrohm
Bild: Deutsche Metrohm

Über die ermittelten Werte für die spezifische Leitfähigkeit des Reinelektrolyten sowie des elektrolytgetränkten Separators ist nun die MacMullin-Zahl zugänglich.

Vorteile der schlüsselfertigen Lösung

Da die so ermittelten spezifischen Leitfähigkeiten von Elektrolyt- und Separatorvolumen im Gegensatz zu deren elektrischen Widerständen intensive Größen sind, muss nicht darauf geachtet werden, dass bei beiden Messungen die Geometrie der verwenden Messzelle identisch ist. Es können also mit der TSC 1600 und der TSC battery zwei unterschiedliche Messzellen eingesetzt werden, welche für die Handhabung der unterschiedlichen Probentypten (Flüssigkeit vs. elektrolytgefüllter Folienseparator) speziell optimiert worden sind.

Die Vorteile der schlüsselfertigen Lösung sind hierbei:

  • vollautomatische Einbindung einer präzisen Temperierung (für Leitfähigkeitsmessungen essenziell) in die Messsoftware;
  • Online-Auswertung (Anpassung der Daten an das Modell bereits während der Messung);
  • schneller Wechsel zwischen verschiedenen Messzellen bedingt durch einen hochmodularen Aufbau;
  • Messungen mit kleinsten Elektrolytmengen;
  • Messungen auch außerhalb einer Handschuhbox (ermöglicht durch abdichtbare Messzellen).

Mit dem gleichen Setup lassen sich darüber hinaus auch komplette Batterien bzw. Akkumulatoren aufbauen und untersuchen und damit die zuvor einzeln untersuchten Separator-Materialien gleich im Zusammenspiel mit den übrigen Komponenten wie den Elektroden und dem Elektrolyt testen.

Das Gesamtpaket bestehend aus Messaufbau Microcell HC, den Messzellen TSC 1600 und TSC battery sowie dem Metrohm-Messgerät bietet dem Anwender somit eine hohe Flexibilität bei einem hohen Grad an Automatisierung und einfacher Handhabung.

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