Bei der für Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Aluminium-Kunststoff-Folie sind PP-Kernrohre, hauptsächlich CPP, die mit Abstand häufigste Wahl für die InnenschichtPE-Kernrohrewerden praktisch nie verwendet.
Der Hauptgrund dafür ist, dass PP-Kernrohre PE-Kernrohren in puncto Elektrolytbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Heißsiegelfestigkeit sowie Quell- und Korrosionsbeständigkeit überlegen sind. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich PP besser für die strengen Sicherheits- und Lebensdaueranforderungen von Lithium-Ionen-Batterien.
Typische Aluminium-Kunststoff-Folienstruktur
Eine typische Aluminium-Kunststoff-Folienstruktur für Lithium-Ionen-Pouchzellen besteht aus mehreren Funktionsschichten. Jede Schicht trägt zur allgemeinen Barriereleistung, zum mechanischen Schutz und zur Heißsiegelfähigkeit der Folie bei.
| Schicht | Typische Dicke | Funktion |
|---|---|---|
| HAUSTIER | 6 μm | Äußere Schutzschicht |
| Außenschichtkleber | 3 μm | Haftschicht |
| New York | 15 μm | Mechanische Stützschicht |
| Außenschichtkleber | 3 μm | Haftschicht |
| AL | 40 μm | Metallbarriereschicht |
| Innenschichtkleber | 3 μm | Haftschicht |
| CPP | 80 μm | Innere Heißsiegelschicht |
1. Unzureichende Elektrolytbeständigkeit und Schwellungsgefahr
Die Kernfunktion von Aluminium-Kunststoff-Folien in Lithium-Ionen-Pouchzellen besteht darin, die Zelle zu kapseln und von der äußeren Umgebung zu isolieren. Die innere Heißsiegelschicht besteht im Allgemeinen aus gegossenem Polypropylen (CPP), gerade wegen seiner hervorragenden Elektrolytbeständigkeit.
Die Molekülstruktur von PE besteht aus einer vollständig symmetrischen Wiederholungseinheit von -CH₂-CH₂- ohne Methylgruppen in der Seitenkette, und seine Kettensegmente weisen eine hohe Flexibilität auf. Sein Löslichkeitsparameter (16,0–16,5 MPa¹ᐟ²) entspricht weitgehend dem von Elektrolytlösungsmitteln auf Carbonatbasis wie DMC, EMC und EC mit Löslichkeitsparametern von 16,5–17,5 MPa¹ᐟ². Dadurch ist PE sehr anfällig für Quellung, Permeation und sogar Auflösung durch den Elektrolyten.
Wenn ein PE-Rohrkern zum Aufwickeln einer Aluminium-Kunststoff-Folie verwendet wird, kann es bei der anschließenden Verkapselung, Bildung und Alterung der Batteriezellen, bei denen es zu Kontakt mit dem Elektrolyten kommt, zu einem Aufquellen und einer Verformung des Rohrkerns kommen. Dies kann zu ungleichmäßigen inneren Spannungen innerhalb der Folienrolle führen und zu einer Delaminierung der Aluminium-Kunststofffolie oder zum Austreten von Elektrolyt führen, was sich direkt auf die Batteriesicherheit auswirkt.
Im Gegensatz dazu weist Polypropylen (PP) aufgrund der sterischen Hinderung durch seine Methylgruppen einen Löslichkeitsparameter von 17,5–18,5 MPa¹ᐟ² auf, der außerhalb des typischen Bereichs der oben beschriebenen Elektrolytlösungsmittel liegt. Es weist eine deutlich geringere Quellung auf und ist daher für diese Anwendung besser geeignet.
2. Mechanische Festigkeit und Formgenauigkeit beeinflussen die Wickelqualität
Aluminium-Kunststofffolie für Lithium-Ionen-Pouchzellen ist eine Präzisionsfolie mit hoher Wertschöpfung, die beim Wickeln hohe Anforderungen an Ebenheit und Konzentrizität stellt. Die Zugfestigkeit von PE-Material (≥20 MPa) ist geringer als die von PP (≥30 MPa) und PE weist auch eine geringere Steifigkeit auf.
Unter der hohen Spannung, die beim Hochgeschwindigkeitswickeln entsteht, neigen PE-Kerne stärker zu Verformungen und Rundheitsabweichungen. Diese Dimensionsänderungen können zu unebenen Kanten, Falten und Tunnelbildung in Folienrollen führen.
PE-Kernrohre
Eine geringere Zugfestigkeit und Steifigkeit kann dazu führen, dass PE-Kerne bei hoher Wickelspannung anfälliger für Verformungen werden, was sich auf die Rollengeometrie und die Wickelkonsistenz auswirkt.
ABS- und PP-Kernrohre
ABS-, PP- und FRP-Kernrohre sorgen für höhere Steifigkeit und Dimensionsstabilität und tragen dazu bei, die Konzentrizität der Folienrolle beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und -wickeln aufrechtzuerhalten.
Insbesondere ABS-Kernrohre vereinen Zähigkeit mit Steifigkeit. Wenn sie unter kontrollierten Reinraumbedingungen hergestellt werden, können sie auch dazu beitragen, die Sauberkeit der Oberfläche zu kontrollieren und das Risiko einer Verunreinigung der Aluminium-Kunststoff-Folie durch Fremdkörper zu verringern.
3. Schlechte Hochtemperaturbeständigkeit schränkt die Prozesskompatibilität ein
Die Herstellung von Aluminium-Kunststofffolien für Lithium-Ionen-Batterien sowie die Herstellung von Batteriezellen umfasst Hochtemperaturschritte wie Backen, Heißsiegeln und Formen. Die Temperaturen können häufig 80–120 °C erreichen.
PE hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt von ca. 105–130 °C und eine maximale Dauerbetriebstemperatur von unter 80 °C. Bei erhöhten Temperaturen kann PE weich werden und kriechen, was möglicherweise zu einer Dimensionsverformung führt. Dies kann die Wickelstabilität und das anschließende Abwickeln und Verarbeiten beeinträchtigen.
PP:PP hat einen Schmelzpunkt von etwa 160–170 °C und kann in Umgebungen um 100–120 °C über lange Zeiträume stabil bleiben.
ABS:ABS-Kernrohre bieten außerdem eine für Standardprozessanforderungen geeignete Temperaturbeständigkeit und tragen dazu bei, Verformungen während relevanter Verarbeitungsstufen zu vermeiden.
Im Vergleich zu PE bieten PP und geeignete ABS-Kernrohre daher eine bessere Dimensionsstabilität unter den Temperaturbedingungen, die mit der Aluminium-Kunststoff-Folienverarbeitung und der Batterieherstellung verbunden sind.
4. Branchenkompatibilitäts- und Sauberkeitsanforderungen
Die Lithium-Ionen-Batterieindustrie stellt strenge Sauberkeitsanforderungen an die Produktionsumgebung. Als Verkapselungsmaterial für Batteriezellen muss Aluminium-Kunststoff-Folie während der gesamten Herstellung und Handhabung vor Fremdkörpern und Staubkontamination geschützt werden.
Der Produktionsprozess für PE-Kerne umfasst typischerweise die Standardextrusion. Abhängig von der Fertigungsumgebung und den Prozesskontrollen entspricht die resultierende Oberflächenreinheit möglicherweise nicht den Anforderungen von Reinraumanwendungen für Lithium-Ionen-Batterien. Oberflächenablagerungen und die elektrostatische Anziehung von Staub können das Kontaminationsrisiko beim Aufwickeln und Handhaben des Films erhöhen.
Aus diesem Grund gehören hochpräzise ABS- und PP-Kernrohre zu den gängigen Optionen für Wickelkerne, die mit Aluminium-Kunststofffolie für Lithium-Ionen-Pouchzellen verwendet werden. Mit geeigneten Fertigungskontrollen, Reinraumproduktion und antistatischer Behandlung können diese Materialien den Anforderungen an Sauberkeit, Maßhaltigkeit und chemische Beständigkeit gerecht werden.
PE-Kerne werden daher häufiger mit allgemeinen Folienwickelanwendungen in Verbindung gebracht, bei denen die Anforderungen an Maßgenauigkeit, chemische Beständigkeit und Sauberkeit weniger hoch sind.
PE- vs. PP-Kernrohre für Aluminium-Kunststofffolien
| Leistungsfaktor | PE-Kernrohre | PP-Kernrohre |
|---|---|---|
| Elektrolytwiderstand | Anfälliger für Schwellungen und Permeationen | Besserer Widerstand gegen elektrolytbedingte Schwellungen |
| Mechanische Steifigkeit | Geringere Steifigkeit | Höhere Steifigkeit und Dimensionsstabilität |
| Wickelpräzision | Anfälliger für Verformungen unter hoher Spannung | Besser geeignet für Präzisionsaufzug |
| Temperaturbeständigkeit | Bei erhöhten Temperaturen neigt es eher zum Erweichen und Kriechen | Höherer Schmelzpunkt und bessere Hochtemperaturstabilität |
| Anwendungskompatibilität | Eher geeignet für allgemeine Filmaufwicklungen | Wird häufig für anspruchsvolle Filmwickelanwendungen verwendet |
| Sauberkeitsanforderungen | Erfordert geeignete Prozess- und Umgebungskontrollen | Kann für anspruchsvolle Anwendungen mit kontrollierter Sauberkeit hergestellt werden |
Warum werden häufig PP- und ABS-Kernrohre verwendet?
Die Auswahl eines Wickelkerns für Aluminium-Kunststofffolien wird nicht durch eine einzelne Materialeigenschaft bestimmt. Der Kern muss während des Wickelns und der anschließenden Handhabung formstabil bleiben und gleichzeitig mit den chemischen, thermischen und Sauberkeitsanforderungen kompatibel sein, die mit der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verbunden sind.
Dimensionsstabilität
PP- und ABS-Kernrohre bieten die erforderliche Steifigkeit und Dimensionsstabilität, um die Rollengeometrie beim Aufwickeln, Schneiden und Transportieren beizubehalten.
Chemische Beständigkeit
PP bietet eine starke Beständigkeit gegenüber der chemischen Umgebung, die mit Lithium-Ionen-Batterieanwendungen einhergeht, und verringert so das Risiko von Schwellungen und Materialabbau.
Temperaturstabilität
PP und geeignete ABS-Kernrohre können unter Verarbeitungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen eine bessere Dimensionsstabilität bieten als PE.
Saubere Fertigung
Kontrollierte Fertigungsumgebungen und antistatische Behandlung können dazu beitragen, dass PP- und ABS-Kernrohre die Anforderungen an Sauberkeit und Kontaminationskontrolle anspruchsvoller Folienanwendungen erfüllen.
PE-Kernrohrewerden selten zum Aufwickeln von Aluminium-Kunststofffolien für Lithium-Ionen-Pouchbatterien ausgewählt, da ihre Leistung nicht so gut mit den kombinierten Anforderungen an Elektrolytbeständigkeit, mechanische Steifigkeit, Dimensionsstabilität, Temperaturbeständigkeit und Sauberkeit übereinstimmt.
PP- und ABS-Kernrohre werden häufiger verwendet, da sie die chemische Beständigkeit, Dimensionsstabilität, Temperaturbeständigkeit und kontrollierte Sauberkeit bieten, die für das präzise Wickeln von Aluminium-Kunststoff-Folien erforderlich sind. Das passende Kernmaterial hängt letztlich von der konkreten Folienstruktur, dem Wickelverfahren und den Fertigungsanforderungen ab.
