Separatoare de baterii-Știm cu toții despre baterii. De asemenea, ne obișnuim cu modul în care funcționează. Bateriile se asigură că electronica noastră portabilă (telefoane, laptopuri etc.) sunt în sarcină completă. Dar, cei mai mulți dintre noi nu înțelegem cum funcționează o baterie. Ar fi de ajutor dacă nu vă faceți griji. Acest articol simplifică și explică tot ce trebuie să știți despre separatoarele de baterii.
Să one scufundăm.
Separatoare de baterii-Ce este exact un separator de baterii?
Structura bateriei cu litiu-ion
Un separator de baterii este o membrană permeabilă între anodul său și catod. Cei doi sunt electrozii bateriei.
Separatorul ține ambii electrozi pentru a evita un scurtcircuit electric. Anodul este electrodul pozitiv, iar catodul este electrodul negativ.
De asemenea, separatorul este o componentă critică. Acționează ca un pasaj de electroni către și de la catod sau anod. Separatorul de baterii trebuie să fie poros pentru a permite transportul ionilor de litiu.
Performanța și eficiența bateriilor cu ioni de litiu se bazează pe proprietățile și structura separatoarelor.
Separatoare de baterii-Care este funcția unui separator de baterii?
Funcția unui separator de baterii este de a garanta siguranța prin evitarea scurtcircuitului.
Dar asta nu este tot.
Rolul principal al unui separator de baterii este de a permite mișcarea în siguranță a ionilor. Aceasta este ceea ce face ca bateria să vă încarce dispozitivul electronic.
Mișcarea electronilor de la anod la catod se întâmplă atunci când bateria se încarcă. Iar când electronii se deplasează invers, de la catod la anod, bateria se descarcă.
Separatoare de baterii-Care este structura unui separator de baterii?
Structura este de aproximativ trei secțiuni – catodul, anodul și un separator poros. Simplu, nu?
Să ne uităm la imaginea de mai jos.
Structura celulelor AA
Mișcarea electronilor provine fie de la anod sau electrozi catodi. Catodul este electrodul negativ, în timp ce anodul este electrodul pozitiv, în funcție de încărcarea bateriei sau de descărcarea rolurilor.
Separatorul este poros pentru a permite mișcarea electronilor. Pentru eficiență, separatorul constă de obicei din membrane polimerice care formează straturi micro-poroase.
Deși porii nu sunt vizibili pentru ochiul uman, ei permit mișcarea ionilor de litiu.
Fără separator, funcționalitatea unei baterii este nulă. Filmele porolefine poroase controlează scurgerea de ioni atunci când o baterie auxiliară este ideală (auto-descărcare).
Stratul microporos nu permite conductivitatea electrică, acționând întotdeauna ca un izolator.
Singura notă este că temperatura afectează performanța separatorilor. Dacă temperatura crește până la un anumit punct, porii se blochează și se opresc. Prin urmare, oprește mișcarea ionilor de litiu.
Separatoare de baterii-Ce materiale fac separatoare comerciale pentru baterii?
Materialul trebuie să fie un non-conductor. Și ar trebui să aibă o mare stabilitate termică (explicată mai târziu în acest articol).
Producătorii folosesc grade speciale de poliolefină pentru a produce baterii cu ioni de litiu reîncărcabil. Materialul de poliolefină apare prin laminarea polietilenului și polipropilenului împreună.
Piolefina este o preferință datorită proprietăților sale mecanice, stabilității chimice. De asemenea, companiile preferă poliolefina datorită costurilor reduse.
Imaginea de mai jos este un separator de baterii poliolefine, astfel aplicabil în bateriile reîncărcabile.
Sursă: PlasticStoday.com
În afară de poliolefină, alte materiale includ:
Clorura de polivinil
Strat de acoperire ceramică din nylon
Poliester
Azbest
Sticlă și
Tetrafluoroetilen.
Proces de fabricație pentru un separator de baterii
Ca și structura sa, procesul de producere a separatoarelor de baterii este simplu. Procesul este prin întinderea sau prelucrarea umedă a materialului poliolefin.
Procedura uscată implică utilizarea unei forțe mecanice pentru a crea porii. Și este potrivit pentru densități de putere mai mari.
Procesul umed implică adăugarea de aditivi la materialul de peliculă poliolefină. Astfel, este un proces chimic de creare a porii.
Deși simplu, procesul uscat face ca porii să aibă dimensiuni diferite. Rezultatul este o reducere a eficacității separatorului. Procedura uscată slăbește, de asemenea, separatorul, reducând astfel rezistența la puncție.
Procesul umed este puțin mai complicat – și scump. Din fericire, creează aceleași dimensiuni ale porilor pentru separator. Rezultatul este îmbunătățirea umezibilității.
Notă laterală – Wettability este capacitatea separatorului de baterii de a „umezi” cu soluțiile sale electrolitice. Deși procesul umed este eficient, nu crește retenția electrolitului.
Care sunt proprietățile unui separator de baterii?
Întrebarea ajută la înțelegerea a ceea ce face un bun separator de baterii auxiliare. Separatorul nu este responsabil doar pentru eficiența bateriei, ci și pentru siguranță.
Înțelegem cel mai bine ambele cerințe (eficiență și siguranță) examinând proprietățile lor diferite. Deci, să mergem.
Baterie cu litiu-ion
1. Stabilitatea chimică
După cum știți deja, un separator de baterii ar trebui să aibă proprietăți de non-conductivitate. Adică, separatorul nu ar trebui să reacționeze nici cu electrozi anodi, nici cu catod.
De asemenea, separatorul trebuie să rămână stabil din punct de vedere chimic. Încă o dată, acest lucru se asigură că separatorul nu reacționează cu electrolitul lichid. O astfel de stabilitate ajută bateria să depășească degradarea.
2. Grosime și rezistență mecanică
Scopul este de a dezvolta o baterie subțire fără a -și pierde rezistența mecanică. Cu alte cuvinte, atunci când un separator de baterii Li-ion este subțire, acesta ajută la ușurarea puterii și a densității energiei sale.
Având în vedere acest lucru, producătorii de baterii asigură că bateria primară are o rezistență la tracțiune suficientă. Ajută la prevenirea întinderii bateriei, în special în timpul unui proces de înfășurare.
3. Porozitate și densitate a porilor
Intenția este ca separatorul să aibă o densitate ridicată a porilor. Aceasta deține electroliți și permite mișcarea liberă a ionilor de litiu între electrozi.
Porozitatea separatorului nu ar trebui să fie prea mare, nici prea mică. Mărimea porilor ar trebui să fie suficient de largă pentru a se închide ori de câte ori bateria se oprește.
Măsurăm porozitatea unui separator în procent. Porozitatea medie este de 40 la sută. Și da, porii ar trebui să aibă o distribuție uniformă.
4. Stabilitate termică
Separatorul trebuie să îndure și să reziste la o gamă largă de temperaturi. Nu ar trebui să se onduleze sau să pucker la temperaturi foarte ridicate. Separatorul trebuie să se oprească la temperaturi mai mici decât punctul de topire al polimerului înainte de fuga termică. În esență, acesta este procesul de recoacere.
Provocări (și soluții) cu separatoare de baterii?
Bine, există evoluții constante pentru a îmbunătăți performanța bateriilor Li-ion reîncărcabile. Dar, acest lucru a fost întâmpinat cu câteva provocări.
Majoritatea acestor provocări se datorează nevoilor emergente. De exemplu, există nevoi și cerințe pentru baterii pentru a rezista la temperaturi ridicate.
De asemenea, este nevoie ca bateriile să dureze mult, fără a -și compromite proprietățile celulare.
Unele dintre provocările cu care se confruntă fabricarea separatoarelor de baterii includ:
a) Nevoia de a produce separatoare mai subțiri
b) pentru a crește umectabilitatea
c) intenția de a îmbunătăți performanța bateriei la temperaturi ridicate
Permiteți -mi să explic aceste provocări în continuare.
Durch die Erfindung des Stromnetzes und der Elektrofahrzeuge entstand ein Bedarf an stabilen thermischen Leistungen. Beide Erfindungen erfordern Hochleistungsbatterien, die hohen Temperaturen standhalten können.
Die Hersteller verbessern die Batterieleistung durch den Einsatz neuer Materialien. Die thermische Stabilität ist besser als bei Polyolefinen.
Die Notwendigkeit einer verbesserten Benetzbarkeit ergibt sich aus der Unverträglichkeit von Polyolefinen. Die Wahl der Polymere ist mit den üblichen Elektrolytmaterialien nicht kompatibel.
Konventionelle neue Elektrolyte haben eine hohe Dielektrizitätskonstante. Dies trägt dazu bei, den Herstellungsprozess der Zellen zu verkürzen.
Gleichzeitig führt die Unverträglichkeit der Polyolefine zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung. Das hat zur Folge, dass der Hauptakku Ihre elektronischen Geräte nicht lange genug aufladen kann.
Schließlich gibt es eine ständige Nachfrage nach dünneren Batterien. Es überrascht nicht, dass dies eine Herausforderung ist. Batterien brauchen dickere Elektroden, um mehr Energie zu speichern. Dennoch entwickeln die Unternehmen spezielle Polyolefinsorten, um das hohe Molekulargewicht von Lid zu erhöhen.
Gibt es Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien?
Um die Leistung von Batterieseparatoren zu verbessern, scheuen die Hersteller nicht davor zurück, die Nacht durchzufahren.
Die Unternehmen haben einzigartige (und möglicherweise patentierte) Methoden zur Verbesserung der Benetzbarkeit und der thermischen Stabilität entwickelt. Werfen wir einen Blick auf einige der bisher erzielten Verbesserungen.
Lithium-Ionen-Batterien
a) Dekoration des Separators mit Silika-Nanopartikeln
Bei diesem Verfahren werden Siliziumdioxid-Nanopartikel an den Poren und Porenwänden des Separators befestigt. Das erwartete Ergebnis ist eine verbesserte Benetzbarkeit des Batterieelektrolyts. Das Verfahren verbessert auch die Hitzebeständigkeit der Batterie.
Während das Separatormaterial die Hitzebeständigkeit erhöht, verbessern die Siliziumdioxid-Nanopartikel die Benetzbarkeit.
b) Herstellung neuer Polyetherimide (PEI) durch ein Phasenumwandlungsverfahren
Das Verfahren umfasst die Herstellung von Separatoren mit PD und BPADA. Dies ist hilfreich, weil Batterieseparatoren jetzt bessere Eigenschaften haben. So können die Abscheider zum Beispiel eine große Bandbreite an Leitfähigkeiten verarbeiten.
PEI tragen auch dazu bei, den Quellungsgrad der Batterie zu verringern. Infolgedessen kommt es zu einem schnellen Elektrolytabbau.
Noch besser: Der Batterieseparator ist bis zu 220 °C thermisch stabil.
c) Wasserstoffinduzierte Quervernetzung (HHC)
Die Technologie beinhaltet die kovalente Vernetzung von Polyethylenoxiden mit einem PP-Separator. Dadurch wird die Elektrolytaffinität des Polyolefins erhöht.
Mit dieser Modifikation haben Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Kapazitätserhaltungskapazität. Der Innenwiderstand solcher Batterien ist ebenfalls gering.
Schlussfolgerung
Wie wir gesehen haben, ist der Batterieseparator eine durchlässige Membran, die als Barriere wirkt. Sie trennt die Kathode (negative Elektrode) von der Anode (positive Elektrode).
Das Diaphragma ist ein entscheidendes Material, da es die Effizienz der Zelle bestimmt. Membranen für Sekundärbatterien sind von geringer Zuverlässigkeit und schlechter Qualität.
Die Batteriehersteller erforschen neue Technologien für Batteriemembranen, um deren Leistung zu verbessern. Solche Sekundärzellen eignen sich zum Beispiel für Leiterplatten und sind in WellPCB erhältlich.
