Сепараторы для аккумуляторов-Все мы знаем об аккумуляторах. Мы также привыкли к тому, как они работают. Батареи обеспечивают полную зарядку нашей портативной электроники (телефонов, ноутбуков и т.д.). Но большинство из нас не понимает, как работает батарея. Это поможет вам не волноваться. Эта статья упрощает и объясняет все, что вам нужно знать о сепараторах аккумуляторов.
Давайте погрузимся внутрь.
Сепараторы для аккумуляторов-Что такое сепаратор батареи?
Структура литий-ионной батареи
Сепаратор батареи — это проницаемая мембрана между анодом и катодом. Эти два элемента являются электродами батареи.
Сепаратор удерживает оба электрода на расстоянии друг от друга, чтобы избежать короткого замыкания. Анод — это положительный электрод, а катод — отрицательный электрод.
Сепаратор также является важным компонентом. Он служит для прохождения электронов к катоду или аноду и обратно. Сепаратор батареи должен быть пористым, чтобы обеспечить транспортировку ионов лития.
Производительность и эффективность литий-ионных батарей зависят от свойств и структуры сепаратора.
Сепараторы для аккумуляторов-Какова функция сепаратора батареи?
Функция сепаратора батареи заключается в обеспечении безопасности путем предотвращения короткого замыкания.
Но это еще не все.
Основная роль сепаратора аккумулятора заключается в обеспечении безопасного движения ионов. Именно благодаря этому батарея заряжает ваше электронное устройство.
Во время зарядки аккумулятора происходит движение электронов от анода к катоду. А когда электроны движутся в обратном направлении, от катода к аноду, батарея разряжается.
Сепараторы для аккумуляторов-Какова структура сепаратора аккумулятора?
Структура состоит из трех секций — катода, анода и пористого сепаратора. Просто, верно?
Давайте посмотрим на рисунок ниже.
Структура ячеек AA
Движение электронов происходит либо от анодного, либо от катодного электродов. Катод — это отрицательный электрод, а анод — положительный электрод, в зависимости от роли батареи в зарядке или разрядке.
Сепаратор пористый, чтобы обеспечить движение электронов. Для повышения эффективности сепаратор обычно состоит из полимерных мембран, образующих микропористые слои.
Хотя поры не видны человеческому глазу, они обеспечивают движение ионов лития.
Без сепаратора функциональность батареи теряет смысл. Пористые полиолефиновые пленки контролируют утечку ионов, когда вспомогательная батарея идеальна (саморазряд).
Микропористый слой не допускает электропроводность, тем самым всегда действуя как изолятор.
Единственное замечание — температура влияет на работу сепараторов. Если температура повышается до определенной отметки, поры блокируются и закрываются. Таким образом, прекращается движение ионов лития.
Из каких материалов делают коммерческие сепараторы для батарей?
Материал должен быть непроводником. И должен обладать высокой термической стабильностью (об этом позже в этой статье).
Для производства перезаряжаемых литий-ионных батарей производители используют специальные марки полиолефинов. Полиолефиновый материал получается путем ламинирования полиэтилена и полипропилена.
Полиолефину отдается предпочтение из-за его механических свойств, химической стабильности. Компании также предпочитают полиолефин из-за его низкой стоимости.
На рисунке ниже представлен полиолефиновый сепаратор для батарей, который применяется в аккумуляторных батареях.
Источник: Plasticstoday.com
Помимо полиолефина, к другим материалам относятся:
Поливинилхлорид
Нейлоновый слой керамического покрытия
Полиэстер
Асбест
стекло и
Тетрафторэтилен.
Процесс производства батарейного сепаратора
Как и его структура, процесс производства батарейных сепараторов прост. Процесс — растягивая или влажную обработку материала полиолефина.
Сухая процедура включает в себя использование механической силы для создания пор. И подходит для более высокой плотности мощности.
Влажный процесс включает добавление добавок в полиолефиновую пленку. Таким образом, это химический процесс создания пор.
Несмотря на простой, сухой процесс приводит к тому, что поры имеют разные размеры. Результатом является снижение эффективности сепаратора. Сухая процедура также ослабляет сепаратор, что сводит к минимуму прокола прокола.
Мокрый процесс немного сложнее — и дорого. К счастью, это создает те же размеры пор для сепаратора. Результатом является улучшение смачиваемости.
Примечание — смачиваемость — это способность сепаратора аккумулятора «мокрой» с его растворами электролита. Хотя влажный процесс эффективен, он не увеличивает удержание электролита.
Каковы свойства сепаратора аккумулятора?
Вопрос помогает понять, что делает хороший вспомогательный сепаратор батареи. Сепаратор несет не только эффективность батареи, но и за безопасность.
Мы лучше понимаем оба требования (эффективность и безопасность), изучая их различные свойства. Итак, давайте пойдем.
Литий-ионная батарея
1 Химическая стабильность
Как вы уже знаете, сепаратор батареи должен иметь неконкурентные свойства. То есть сепаратор не должен реагировать ни с анодными, ни катодными электродами.
Кроме того, сепаратор должен оставаться химически стабильным. Еще раз, это гарантирует, что сепаратор не реагирует с жидким электролитом. Такая стабильность помогает батарее преодолеть деградацию.
2 Толщина и механическая прочность
Цель состоит в том, чтобы разработать тонкую батарею, не теряя его механической прочности. Другими словами, когда сепаратор литий-ионного аккумулятора тонкий, он помогает облегчить его мощность и плотность энергии.
Имея это в виду, производители батареи гарантируют, что основная батарея имеет достаточную прочность на растяжение. Это помогает предотвратить растяжение батареи, особенно во время обмотки.
3 Сепараторы для аккумуляторов-Пористость и плотность пор
Намерение состоит в том, чтобы сепаратор имел высокую плотность пор. Это удерживает электролиты и позволяет свободно перемещать ионы лития между электродами.
Пористость сепаратора не должна быть слишком большой, не слишком маленькой. Размер пор должен быть достаточно широким, чтобы закрываться при закрытии батареи.
Мы измеряем пористость сепаратора в процентах. Средняя пористость составляет 40 процентов. И да, поры должны иметь равномерное распределение.
4 Сепараторы для аккумуляторов-Тепловая стабильность
Сепаратор должен выдержать и выдерживать широкий спектр температур. Это не должно скручивать или не скручивать при очень высоких температурах. Сепаратор должен отключаться при температуре ниже, чем точка плавления полимера до термического бегства. По сути, это процесс отжига.
Проблемы (и решения) с сепараторами аккумулятора?
Хорошо, есть постоянные разработки, чтобы улучшить производительность перезаряжаемых литий-ионных батарей. Но это встретилось с несколькими проблемами.
Большинство из этих проблем связаны с возникающими потребностями. Например, есть потребности и требования к батареям, чтобы выдерживать высокие температуры.
Кроме того, существует необходимость в том, чтобы батареи длились долго, не ставя под угрозу свойства клеток.
Некоторые из проблем, стоящих перед производством сепараторов аккумулятора, включают в себя:
а) Необходимость производства более тонких сепараторов
б) повысить смачиваемость
в) намерение повысить производительность батареи при высоких температурах
Позвольте мне объяснить эти проблемы дальше.
Необходимость в стабильных тепловых характеристиках обусловлена изобретением электросетей и электромобилей. Оба изобретения требуют сверхмощных батарей, способных выдерживать высокие температуры.
Производители улучшают характеристики элементов питания, используя новые материалы. Термическая стабильность лучше, чем у полиолефина.
Необходимость в улучшении смачиваемости обусловлена несовместимостью полиолефина. Выбор полимера несовместим с обычными материалами электролитов.
Новые обычные электролиты характеризуются высокими диэлектрическими константами. Это позволяет сократить процесс изготовления батареи.
В то же время несовместимость полиолефина приводит к неравномерному распределению тока. В результате получается первичная батарея, которая недостаточно долго заряжает ваше электрическое устройство.
Наконец, всегда существует потребность в более тонких батареях. Как и ожидалось, это непросто. Батареям нужны более толстые электроды, чтобы удерживать больше заряда. Тем не менее, компании разрабатывают специальные марки полиолефинов, чтобы улучшить высокомолекулярный вес лида.
Есть ли какие-либо разработки в области литий-ионных батарей?
Производители не жалеют масла, чтобы улучшить характеристики сепараторов батарей.
Компании разрабатывают уникальные (и, возможно, запатентованные) способы улучшения смачиваемости и термостабильности. Давайте посмотрим на некоторые из уже достигнутых улучшений.
Литий-ионный аккумулятор
a) Сепараторы для аккумуляторов-Декорирование сепаратора наночастицами кремнезема
Этот процесс включает в себя прикрепление наночастиц кремнезема к порам и стенкам пор сепаратора. Ожидаемым результатом является улучшение смачиваемости электролитом батареи. Метод также повышает устойчивость батареи к нагреву.
В то время как материал сепаратора повышает теплостойкость, наночастицы кремния улучшают смачиваемость.
б) Использование процесса инверсии фаз для получения новых полиэфиримидов (ПЭИ)
Этот процесс предполагает использование PD и BPADA для производства сепараторов. Это полезно, поскольку сепаратор батареи теперь обладает лучшими свойствами. Например, сепаратор может работать в широком диапазоне проводимостей.
ПЭИ также помогают минимизировать степень набухания батареи. Таким образом, это приводит к быстрому отводу электролита.
Еще лучше то, что сепаратор батареи демонстрирует термическую стабильность до 220°C.
в) Сепараторы для аккумуляторов-Индуцированная водородом сшивка (HHC)
Эта технология представляет собой ковалентную сшивку полиэтиленоксида на полипропиленовом сепараторе. Эффект заключается в увеличении сродства полиолефина к электролиту.
Благодаря такой модификации литий-ионные батареи обладают высокой сохраняемой емкостью. Батареи также имеют низкое внутреннее сопротивление.
Заключение
Как мы видели, сепаратор аккумулятора — это проницаемая мембрана, которая действует как изолятор. Она отделяет катод (отрицательный электрод) от анода (положительного электрода).
Сепаратор является жизненно важным материалом, поскольку от него зависит эффективность батареи. С малонадежным сепаратором вторичный аккумулятор будет такого же низкого качества.
Производители батарей открывают новые технологии сепараторов для повышения их эффективности. Например, такие вторичные батареи применяются в печатных платах (PCB), которые можно приобрести в WellPCB.
