V zapletenem sistemu litijevih baterij ima ločevator, čeprav na videz neopazno, ključno vlogo pri zmogljivosti baterije. Postavljene med katodo in anodo baterije so primarne funkcije separatorja preprečiti neposreden stik med katodo in anodo, kar lahko privede do kratkih stikov, hkrati pa omogoča, da se litijevi ioni prosto prehajajo med polnjenjem in izpustom, da dokončajo operativni cikel baterije. Kakovost zmogljivosti separatorja neposredno vpliva na več ključnih kazalnikov učinkovitosti baterije, vključno z gostoto energije, gostoto moči, življenjsko dobo cikla in varnostjo. Ta članek se bo podrobno poglobil v delovanje litijevih ločevalcev baterij.
1. poroznost in velikost por
Poroznost in velikost por sta pomembni parametri za oceno učinkovitosti separatorja. Poroznost se nanaša na število ali delež mikropora znotraj separatorja. Večja poroznost zagotavlja več kanalov litij ionov, ki omogočajo izboljšanje zmogljivosti hitrosti baterije, kar omogoča bateriji, da ohrani dobro zmogljivost med polnilnim polnjenjem in izpustom. Poleg tega visoka poroznost pomaga pri povečanju elektrolitne zmogljivosti in hitrosti migracije ionov, s čimer se izboljša splošna učinkovitost baterije.
Vendar poroznost ni višja, tem bolje. Prekomerno visoka poroznost lahko privede do zmanjšane mehanske trdnosti separatorja, zaradi česar je nagnjen k razpoku med sestavljanjem in uporabo baterije, kar vpliva na varnost baterije in življenjsko dobo servisa. Zato je treba maksimirati poroznost, hkrati pa zagotoviti mehansko trdnost.
Velikost por ima podobno pomemben vpliv na delovanje baterije. Pore ustrezne velikosti lahko zagotovijo gladek litijev ionski prehod, hkrati pa učinkovito blokirajo prehod katodnih in anodnih delcev, kar preprečuje kratke vezje. Če je velikost por prevelika, lahko privede do neposrednega stika s katodo-anodo, kar sproži težave z varnostjo; Prekomerno majhne pore na drugi strani povečajo odpornost na litijev ioni, kar zmanjšuje učinkovitost polnjenja in odvajanja baterije. Poleg tega je enakomernost pora tudi ključnega pomena, saj lahko neenakomerne velikosti por povzročijo neenakomerno porazdelitev toka znotraj baterije, kar vpliva na zmogljivost in življenjsko dobo.
2. debelina
Debelina separatorja je še en pomemben dejavnik, ki vpliva na delovanje baterije. Tanjši ločevalci lahko zmanjšajo notranjo upor akumulatorja, povečajo hitrost prenosa litijevega iona in s tem povečajo gostoto energije in gostoto energije baterije. Poleg tega tanki sepatorji prispevajo k zmanjšanju teže in glasnosti baterije, izboljšanju lahke teže baterije.
Vendar lahko pretirano tanki ločevalci ogrožajo njihovo mehansko trdnost in toplotno stabilnost. Pri zunanjih silah ali temperaturnih spremembah so tanki ločevatorji nagnjeni k razpokanju ali deformaciji, kar vodi do notranjih kratkih stikov ali toplotnih težav z beganjem. Zato je treba zmanjšati debelino separatorja, hkrati pa zagotoviti mehansko trdnost in toplotno stabilnost.
3. Kemična stabilnost
Med delovanjem baterije se ločevalnik obrne v stik z elektrolitnimi in katodnimi\/anodnimi materiali. Zato mora imeti separator dobro kemično stabilnost, ki se lahko upira eroziji elektrolitov in ne reagira kemično s katodo ali anodo. V nasprotnem primeru se lahko separator korodira ali razgradi, kar vodi do zmanjšanja zmogljivosti baterije ali celo okvare.
Za izboljšanje kemične stabilnosti separatorja se običajno uporabijo površinske modifikacije ali obdelave prevleke. Na primer, premaz poliolefinskega separatorja s keramičnimi delci, kot sta glinica ali silicijev dioksid, lahko znatno poveča njegovo kemično stabilnost in visoko temperaturo. Poleg tega lahko uporabimo metode spreminjanja cepljenja za uvedbo hidrofilnih ali hidrofobnih skupin na površino ločevanja, kar izboljša njegovo zmožnost ali hidrofobnost z elektrolitom.
4. Termična stabilnost
Termalna stabilnost separatorja pomembno vpliva na učinkovitost varnosti baterije. V nenormalnih pogojih, kot so prekomerno polnjenje ali pregrevanje, mora separator ohraniti strukturno celovitost, da prepreči nadaljnji stik katodne in anode in prepreči toplotno pobeg. Ločevalci z dobro toplotno stabilnostjo lahko hitro zaprejo pore pri visokih temperaturah, odrežejo kanale za prenos ionov in s tem povečajo varnost baterije.
Za izboljšanje toplotne stabilnosti separatorja se pogosto uporabljajo naslednje metode: ena je priprava ločevalcev iz visokotemperaturnih materialov, odpornih na visoko temperaturo; Drugo je, da v ločljivost dodate plamen ali anorganska polnila; Tretji je, da uporabimo postopke po zdravljenju, kot so toplotna obdelava ali zamreževanje sevanja.
Na primer, materiali, odporni na visoko temperaturo, kot sta poliimid (PI) in poliarileterketone (PEEK), lahko ohranijo strukturno celovitost pri višjih temperaturah, kar dejansko prepreči notranje kratke vezje v ekstremnih pogojih. Poleg tega lahko keramično prevlečeni sepatorji pri visokih temperaturah ohranijo strukturno celovitost, kar učinkovito preprečuje, da bi se baterijski toplotni pobeg in eksplozije.
5. zmogljivost
Sepatorska zmogljivost se nanaša na sposobnost elektrolita, da zmoči površino ločevalca. Dobra zmožnost omogoča elektrolitu, da popolnoma zmoti ločevalnik, zmanjša upornost litij ionov in izboljšuje delovanje baterije. Močenje vpliva tudi na življenjsko dobo in varnost cikla baterije. Slaba ločevalna zmogljivost lahko prepreči, da bi elektrolit popolnoma zmočil ločevalnik, kar lahko vodi do slabega prenosa notranjega iona, kar vpliva na polnjenje baterije in odvajanje učinkovitosti in življenjsko dobo cikla. Poleg tega lahko ločevalci s slabo zmogljivostjo povzročijo lokalizirano pregrevanje med polnjenjem in odvajanjem, kar poveča tveganja za varnost baterije.
Za izboljšanje zmogljivosti ločevalcev se običajno uporabljajo naslednje metode: ena je izbira ločevalcev z visoko poroznostjo in ustreznimi velikostmi por; Drugi je izvajanje hidrofilnega zdravljenja ali premaza hidrofilnih materialov na površino ločevanja; Tretji je optimizirati elektrolitno formulacijo in sestavo. Na primer, prevlečenje poliolefinskega separatorja s plastjo hidrofilnih polimerov ali delcev anorganskega oksida lahko znatno izboljša njegovo zmožnost z elektrolitom.
6. mehanska trdnost
Mehanska trdnost separatorja se nanaša na njegovo sposobnost, da prenese zunanje sile brez razpoka ali deformacije. Med sestavljanjem in uporabo baterije mora separator prenesti natezne, tlačne in druge zunanje sile. Zato mora imeti separator zadostno mehansko trdnost, da ostane nedotaknjen med uporabo baterije in ohranja stabilen razmik elektrod.
Za izboljšanje mehanske trdnosti separatorja se običajno uporabljajo naslednje metode: ena je priprava ločevalcev iz materialov z visoko trdnostjo; Drugi je uporaba postopkov po zdravljenju, kot sta raztezanje ali stiskanje na separator; Tretji je, da v ločevalnik dodate ojačitvene agente ali anorganska polnila. Na primer, večplastni kompozitni sepatorji, ki združujejo ločevalce različnih materialov in lastnosti, lahko znatno povečajo mehansko trdnost, toplotno stabilnost in zaostalost plamena. Poleg tega lahko keramično prevlečeni separatorji do neke mere izboljšajo tudi mehansko trdnost ločevalcev.
7. Druge lastnosti
Poleg zgoraj omenjenih lastnosti morajo imeti litijeve ločitve baterij tudi druge lastnosti, kot so prepustnost plina in zmogljivost zadrževanja elektrolitov. Prepustnost plina se nanaša na sposobnost ločevalca, da omogoči prehod plina. Med polnjenjem baterije in odvajanjem se proizvede določena količina plina. Če je prepustnost plina separatorja slaba, se lahko ti plini nabirajo znotraj baterije, kar poveča notranji tlak in vpliva na varnost baterije in življenjsko dobo. Zato mora imeti separator določeno raven prepustnosti plina, da se zagotovi pravočasno odzračevanje plina med polnjenjem in odvajanjem baterije.
Zmogljivost zadrževanja elektrolitov se nanaša na sposobnost separatorja, da med delovanjem baterije zadrži določeno količino elektrolita. Če je zmogljivost zadrževanja elektrolitov separatorja slaba, lahko elektrolit pušča ali izhlapi iz separatorja, kar vodi do slabega prenosa notranjega iona, kar vpliva na polnjenje baterije in izpuščanje učinkovitosti in življenjsko dobo cikla. Zato mora imeti separator dobro zadrževanje elektrolitov, da se med daljšim delovanjem zagotovi stabilno delovanje baterije.
8. Zaključek in obeti
Če povzamemo, zmogljivost litijevih ločevalcev baterij pomembno vpliva na splošno delovanje in varnost baterije. Poroznost, velikost por, debelina, kemična stabilnost, toplotna stabilnost, zmožnost zmogljivosti in mehanska trdnost so parametri zmogljivosti, ki skupaj določajo kakovost separatorja. Z nenehnim močnim povpraševanjem po litijevih baterijah v panogah, kot so nova energetska vozila, sistemi za shranjevanje energije in potrošniška elektronika, so tudi zahteve glede zmogljivosti za ločevalce vse bolj visoke.