Разделители батарей: как они обеспечивают безопасность и эффективность ваших устройств

Мы все знаем о батареях. Мы также привыкли к тому, как они работают. Батареи обеспечивают полный заряд наших портативных электронных устройств (телефоны, ноутбуки и т.д.). Но большинство из нас не понимает, как работает батарея. Вам не нужно беспокоиться, хотя. Эта статья упрощает и объясняет все, что вам нужно знать о разделителях батарей.

Погрузимся внутрь.

Что именно такое разделитель батареи?

Структура литий-ионной батареи

Разделитель батареи — это проницаемая мембрана между её анодом и катодом. Эти два — электроды батареи.

Разделитель держит оба электрода раздельно, чтобы избежать короткого замыкания. Анод — положительный электрод, а катод — отрицательный электрод.

Также разделитель — критический компонент. Он действует как проход электронов к и от либо катода, либо анода. Разделитель батареи должен быть пористым, чтобы обеспечивать транспортировку литий-ионов.

Производительность и эффективность литий-ионных батарей зависят от свойств и структуры разделителя.

Какова функция разделителя батареи?

Функция разделителя батареи — гарантировать безопасность, избегая короткого замыкания.

Но это не все.

Главная роль разделителя батареи — обеспечить безопасное движение ионов. Это то, что заряжает ваше электронное устройство.

Движение электронов от анода к катоду происходит, когда батарея заряжается. А когда электроны движутся в обратном направлении, от катода к аноду, батарея разряжается.

Какова структура разделителя батареи?

Структура заключается в трех секциях — катод, анод и пористый разделитель. Просто, правда?

Посмотрим на картинку ниже.

Структура элементов AA

Движение электронов происходит от анода или катода. Катод — отрицательный электрод, тогда как анод — положительный электрод, в зависимости от роли зарядки или разрядки батареи.

Разделитель пористый, чтобы позволить движение электронов. Для эффективности разделитель обычно состоит из полимерных мембран, образующих микропористые слои.

Хотя поры невидимы для человеческого глаза, они позволяют движение литий-ионов.

Без разделителя функциональность батареи недействительна. Пористые полиолефиновые пленки контролируют утечку ионов, когда вспомогательная батарея идеальна (саморазряд).

Микропористый слой не позволяет электрической проводимости, тем самым всегда действуя как изолятор.

Единственное замечание: температура влияет на производительность разделителей. Если температура поднимается до определенной точки, поры блокируются и закрываются. Следовательно, останавливается движение литий-ионов.

Из каких материалов делаются коммерческие разделители батарей?

Материал должен быть непроводником. И должен иметь отличную термическую стабильность (объяснено позже в этой статье).

Производители используют специальные сорта полиолефинов для производства перезаряжаемых литий-ионных батарей. Материал полиолефина получается ламинированием полиэтилена и полипропилена вместе.

Полиолефин предпочтителен из-за своих механических свойств, химической стабильности. Компании также предпочитают полиолефин из-за его низкой стоимости.

Изображение ниже — полиолефиновый разделитель батареи, применимый в перезаряжаемых батареях.

Источник: Plasticstoday.com

Помимо полиолефина, другие материалы включают:

• Поливинилхлорид
• Керамическое покрытие из нейлона
• Полиэстер
• Асбест
• Стекло и
• Тетрафторэтилен.

Процесс производства разделителя батареи

Как и его структура, процесс производства разделителей батарей прост. Процесс осуществляется растяжением или влажным способом обработки материала полиолефина.

Сухой процесс включает использование механической силы для создания пор. И подходит для более высоких плотностей мощности.

Влажный процесс включает добавление добавок в материал полиолефиновой пленки. Таким образом, это химический процесс создания пор.

Хотя прост, сухой процесс заставляет поры иметь разные размеры. Результатом является снижение эффективности разделителя. Сухая процедура также ослабляет разделитель, минимизируя его прочность на прокол.

Влажный процесс немного более сложный — и дороже. К счастью, он создает одинаковые размеры пор для разделителя. Результатом является улучшение смачиваемости.

Примечание — Смачиваемость — это способность разделителя батареи «смачиваться» своими электролитными растворами. Хотя влажный процесс эффективен, он не увеличивает удержание электролита.

Каковы свойства разделителя батареи?

Вопрос помогает понять, что делает хороший вспомогательный разделитель батареи. Разделитель отвечает не только за эффективность батареи, но и за безопасность.

Мы лучше понимаем оба требования (эффективность и безопасность), изучая их разные свойства. Давайте посмотрим.

Литий-ионная батарея

1. Химическая стабильность

Как вы уже знаете, разделитель батареи должен иметь свойства неэлектропроводности. То есть разделитель не должен реагировать ни с анодом, ни с катодом.

Также разделитель должен оставаться химически стабильным. Еще раз, это гарантирует, что разделитель не реагирует с жидким электролитом. Такая стабильность помогает батарее преодолеть деградацию.

2. Толщина и механическая прочность

Цель — разработать тонкую батарею без потери механической прочности. Другими словами, когда разделитель литий-ионной батареи тонкий, это помогает облегчить его плотность мощности и энергии.

С этим в виду, производители батарей обеспечивают, чтобы первичная батарея имела достаточную прочность на растяжение. Это помогает предотвратить растяжение батареи, особенно во время процесса намотки.

3. Пористость и плотность пор

Намерение — чтобы разделитель имел высокую плотность пор. Это удерживает электролиты и позволяет свободное движение литий-ионов между электродами.

Пористость разделителя не должна быть слишком большой, не слишком маленькой. Размер поры должен быть достаточно широким, чтобы закрываться, когда батарея отключается.

Пористость разделителя измеряется в процентах. Средняя пористость 40 процентов. И да, поры должны иметь равномерное распределение.

4. Термическая стабильность

Разделитель должен выдерживать и переносить широкий диапазон температур. Он не должен скругляться или сморщиваться при очень высоких температурах. Разделитель должен отключаться при температурах ниже точки плавления полимера до термического разгорания. По сути, это процесс отжига.

Проблемы (и решения) с разделителями батарей?

Хорошо, есть постоянные разработки для улучшения производительности перезаряжаемых литий-ионных батарей. Но это встречается с довольно рядом проблем.

Большинство этих проблем вызваны возникающими потребностями. Например, есть потребности и требования для батарей выдерживать высокие температуры.

Также есть потребность, чтобы батареи служили долго без ущерба для их свойств ячеек.

Некоторые из проблем, enfrentados при производстве разделителей батарей, включают:

a) Необходимость производства более тонких разделителей

b) Увеличение смачиваемости

c) Намерение улучшить производительность батареи при высоких температурах

Позвольте объяснить эти проблемы дальше.

Потребность в стабильной термической производительности вызвана изобретением энергетических сетей и электромобилей. Оба изобретения требуют тяжелых батарей, которые могут выдерживать высокие температуры.

Производители улучшают производительность ячеек, используя новые материалы. Термические стабильности лучше, чем у полиолефина.

Потребность в улучшенной смачиваемости вызвана несовместимостью полиолефина. Выбор полимера несовместим с обычными электролитными материалами.

Новые, обычные электролиты характеризуются высокими диэлектрическими постоянными. Что помогает сократить производственный процесс батареи.

В то же время, несовместимость полиолефина приводит к неравномерному распределению тока. Результатом является первичная батарея, которая не заряжает ваше электрическое устройство достаточно долго.

Наконец, всегда есть спрос на более тонкие батареи. Как ожидается, это сложно. Батареи нуждаются в более толстых электродах, чтобы удерживать больше заряда. Тем не менее, компании придумывают специальные сорта полиолефина для улучшения высокой молекулярной массы лития.

Есть ли разработки в литий-ионных батареях?

Производители сжигают полночь, чтобы улучшить производительность разделителей батарей.

Компании разрабатывают уникальные (и, возможно, запатентованные) способы улучшения смачиваемости и термической стабильности. Посмотрим на некоторые улучшения до сих пор.

Литий-ионная батарея

а) Обработка разделителя кремнеземными наночастицами

Процесс включает присоединение кремнеземных наночастиц к порам и стенкам пор разделителей. Ожидаемый результат — улучшенная смачиваемость по отношению к электролиту батареи. Метод также повышает устойчивость батареи к тепла.

Пока материал разделителя повышает теплосопротивление, кремнеземные наночастицы повышают смачиваемость.

б) Использование процесса фазовой инверсии для производства новых PEI (Полиэтеримидов)

Процесс включает использование PD и BPADA для производства разделителей. Это полезно, потому что разделитель батареи теперь имеет лучшие свойства. Например, разделитель может обрабатывать широкий диапазон проводимостей.

PEI также помогают минимизировать степень набухания батареи. Таким образом, это приводит к быстрому проникновению электролита.

Еще лучше, разделитель батареи демонстрирует термическую стабильность до 220°C.

в) Водородно-индуцированное перекрестное связывание (HHC)

Техника представляет собой ковалентное перекрестное связывание оксида полиэтилена на разделитель PP. Эффект — увеличение аффинности электролита полиолефина.

С такой модификацией литий-ионные батареи имеют высокую удержание емкости. Батареи также имеют низкое внутреннее сопротивление.

Заключение

Как мы видели, разделитель батареи — это проницаемая мембрана, действующая как изолятор. Он разделяет катод (отрицательный электрод) от анода (положительный электрод).

Разделитель — жизненно важный материал, потому что он определяет эффективность батареи. С ненадежным разделителем вторичная батарея равно низкого качества.

Производители батарей открывают новые технологии разделителей для улучшения их производительности. Например, такие вторичные батареи применимы в печатных платах (ПП), доступных в WellPCB.