Qual è la differenza tra un separatore e un elettrolita?
Nelle batterie agli ioni di litio, elettroliti e separatori, insieme al catodo e all'anodo, costituiscono i quattro materiali principali di una batteria. Se il catodo e l'anodo determinano il limite superiore della densità energetica, allora l'elettrolita può essere considerato il "sangue" della batteria, mentre il separatore funge da "valvola di sicurezza" che mantiene ordine e sicurezza. Insieme, determinano se gli ioni di litio possono circolare in modo efficiente, sicuro e stabile all'interno della batteria, svolgendo un ruolo decisivo nelle prestazioni e nell'affidabilità complessive della batteria.
I. Il “sangue” delle batterie al litio: l’elettrolita
Come è ampiamente riconosciuto, l'elettrolita è noto come il "sangue" di una batteria al litio. Solo dopo l'iniezione di elettrolita, una batteria diventa veramente funzionale; altrimenti, è semplicemente un "guscio" vuoto, privo di vera sostanza. Si potrebbe dire che nel momento in cui l'elettrolita viene iniettato, è come se a un corpo venisse donata un'anima, elevando istantaneamente la batteria alla vita.
L'elettrolita è un liquido incolore e trasparente, componente chiave delle batterie agli ioni di litio. Insieme al catodo, all'anodo e al separatore, è uno dei quattro materiali principali delle batterie al litio. Il suo ruolo principale è quello di consentire il trasporto degli ioni di litio all'interno della batteria, rendendo possibili i processi di carica e scarica.
1. Composizione dell'elettrolita
IL
elettrolita della batteria agli ioni di litio
è composto principalmente da solventi organici, sali di litio e additivi.
Si tratta in genere di solventi a base di carbonato, come il dimetilcarbonato (DMC), l'etilmetilcarbonato (EMC), il dietilcarbonato (DEC) e l'etilencarbonato (EC). In pratica, più solventi vengono spesso miscelati per bilanciare conduttività ionica, viscosità e prestazioni a bassa temperatura.
I sali di litio più comuni includono l'esafluorofosfato di litio (LiPF₆), la bis(fluorosolfonil)immide di litio (LiFSI) e la bis(trifluorometansolfonil)immide di litio (LiTFSI). Tra questi, il LiPF₆ rimane il più utilizzato nelle applicazioni commerciali.
Per garantire la stabilità dell'elettrolita, migliorare l'efficienza di carica-scarica e prolungare la durata del ciclo, o per soddisfare specifici requisiti funzionali, di solito viene incorporata una piccola quantità di additivi. Esempi tipici includono:
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Additivi filmogeni: carbonato di fluoroetilene (FEC), carbonato di vinilene (VC)
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Additivi per migliorare le prestazioni a bassa temperatura: DTD
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Additivi ritardanti di fiamma: composti a base di fosfati
Sebbene utilizzati in piccole quantità, gli additivi hanno spesso un impatto significativo sulle prestazioni della batteria.
2. Processo di produzione degli elettroliti
Il processo di produzione degli elettroliti è relativamente semplice, ma richiede un rigoroso controllo ambientale e una gestione precisa del processo.
Secondo la formulazione, i solventi sottoposti a un rigoroso trattamento di disidratazione vengono prima aggiunti, nelle proporzioni richieste, in un reattore di miscelazione protetto da atmosfera inerte (solitamente azoto). Viene quindi attivato un refrigeratore per raffreddare la miscela di solventi. Una volta raggiunta la temperatura appropriata, il sale di litio viene aggiunto lentamente sotto agitazione per garantirne la completa dissoluzione.
Durante questo processo, la dissoluzione dei sali di litio, in particolare del LiPF₆, è esotermica, provocando un aumento della temperatura della soluzione. Pertanto, è necessario applicare un raffreddamento sia prima che durante l'aggiunta del sale. Il sale di litio deve essere aggiunto lentamente e in piccole porzioni, monitorando costantemente la temperatura per evitare un riscaldamento eccessivo che potrebbe degradare la qualità dell'elettrolita.
Una volta che il sale di litio è completamente sciolto, vengono aggiunti gli additivi necessari e miscelati accuratamente. Una volta che il campionamento e i test confermano la conformità alle specifiche, l'elettrolita viene riempito a pressione in contenitori di acciaio inossidabile e lasciato riposare per un certo periodo prima del confezionamento e dello stoccaggio finali.
3. Parametri tecnici chiave dell'elettrolita
A seconda della formulazione e delle esigenze del cliente, le specifiche dell'elettrolita possono variare. I parametri tecnici più comuni includono:
La conduttività ionica è una delle proprietà più critiche di un elettrolita, poiché influenza direttamente il trasporto degli ioni di litio all'interno della batteria. Un'elevata conduttività supporta carica e scarica ad alta velocità e ad alta corrente.
La conduttività è fortemente influenzata dalla concentrazione del sale di litio e dalla composizione del solvente. Tipicamente, la conduttività dell'elettrolita varia da 5 a 15 mS/cm.
La densità è influenzata principalmente dalla composizione del solvente e dalla concentrazione del sale di litio. Proporzioni più elevate di solventi densi o un contenuto di sale più elevato determinano una maggiore densità dell'elettrolita. L'intervallo tipico è 1,0–1,5 g/mL.
L'umidità è un parametro cruciale, solitamente introdotto da materie prime non sufficientemente essiccate o durante la lavorazione. Un'umidità eccessiva può far reagire i sali di litio con l'acqua, formando specie acide che degradano le prestazioni della batteria.
In genere il contenuto di umidità deve essere inferiore a 10 ppm, con un limite massimo di 20 ppm.
Un'elevata acidità può corrodere i componenti interni della batteria e innescare reazioni collaterali, con conseguente riduzione della capacità e scarse prestazioni di ciclaggio.
Un elettrolita qualificato dovrebbe essere incolore e trasparente. Un funzionamento improprio o l'uso di determinati additivi possono causare scolorimento. I produttori di batterie di solito non sono eccessivamente rigidi in merito al colore e valori inferiori a 50 sono generalmente accettabili; valori superiori sono considerati difettosi.
La viscosità influenza la mobilità degli ioni di litio. Idealmente, è preferibile una viscosità inferiore. Gli elettroliti con un contenuto di sali di litio più elevato o un contenuto di EC più elevato tendono ad avere una viscosità maggiore, mentre quelli ricchi di carbonati lineari hanno generalmente una viscosità inferiore.
Per le applicazioni di fascia alta, le impurità ioniche, in particolare gli ioni metallici come rame e ferro, sono attentamente controllate. Queste impurità possono innescare reazioni interne e rappresentare rischi per la sicurezza, pertanto vengono imposti limiti rigorosi.
Oltre a soddisfare le specifiche di cui sopra, un elettrolita ideale dovrebbe presentare un'elevata costante dielettrica, un'ampia finestra elettrochimica, una buona stabilità elettrochimica e termica, un basso costo, la non tossicità e un'elevata sicurezza. Tuttavia, queste proprietà sono spesso difficili da ottenere simultaneamente. Ad esempio, gli elettroliti con elevata conduttività e costante dielettrica elevata hanno solitamente una viscosità più elevata, e viceversa.
Negli ultimi anni, la ricerca di una maggiore densità energetica e l'avvento delle batterie allo stato solido hanno avuto un certo impatto sul settore degli elettroliti. Tuttavia, dato l'attuale stato della tecnologia delle batterie allo stato solido, ci vorrà molto tempo prima che possano sostituire completamente le batterie al litio liquido. Nel prossimo futuro, le batterie agli ioni di litio liquido rimarranno dominanti e si prevede quindi che il mercato degli elettroliti rimarrà relativamente stabile.
II. La “valvola di sicurezza” delle batterie al litio — Separatore
IL
separatore di batterie agli ioni di litio
È un altro componente indispensabile delle batterie al litio e uno dei quattro materiali principali. È tipicamente una pellicola polimerica bianca e porosa in polietilene (PE) o polipropilene (PP). La sua funzione principale è quella di separare fisicamente il catodo e l'anodo, prevenendo cortocircuiti interni.
1. Funzioni del separatore
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Per isolare il catodo e l'anodo, prevenendo cortocircuiti interni
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Per fornire percorsi per il trasporto degli ioni di litio durante la carica e la scarica (bloccando gli elettroni ma consentendo il passaggio degli ioni)
2. Tipi e processi di produzione dei separatori
In base al processo di fabbricazione, i separatori vengono principalmente classificati in separatori a secco e separatori a umido, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi.
(1) Separatori a processo secco
I separatori a secco sfruttano il comportamento di cristallizzazione del PP o del PE sotto stress elevato. Un film colato ad alta orientazione e bassa cristallinità viene prima preparato, poi stirato per formare microdifetti, che vengono successivamente espansi tramite ricottura ad alta temperatura per creare una membrana porosa orientata uniassialmente.
Fusione → Colata → Trattamento termico → Stiramento → Prodotto finito
Basso costo e buona resistenza alle alte temperature; comunemente utilizzato nelle batterie al litio convenzionali.
(2) Separatori a umido
I separatori a umido sono in genere prodotti utilizzando il metodo di separazione di fase indotta termicamente (TIPS). Le poliolefine vengono miscelate con solventi a piccole molecole ad alto punto di ebollizione (come l'olio di paraffina) per formare una soluzione omogenea. Dopo il raffreddamento, si verifica la separazione di fase solido-liquido o liquido-liquido, dando origine a una struttura bifasica. Lo stiramento biassiale orienta le catene polimeriche, seguite da
mediante estrazione con solvente per ottenere un separatore microporoso.
Miscelazione delle materie prime → Stampaggio per estrusione → Stiramento → Estrazione → Termofissaggio → Prodotto finito
Costo più elevato e maggiore resistenza alla trazione; utilizzato principalmente nelle batterie al litio di fascia alta.
3. Indicatori chiave di prestazione dei separatori
Le prestazioni del separatore hanno un impatto diretto sulla capacità di carico, sulla sicurezza e sulla durata della batteria. Gli indicatori chiave includono:
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Dimensione media dei pori e distribuzione (influenzano il trasporto degli ioni di litio)
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Porosità (influenza il trasporto degli ioni di litio)
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Spessore (influenza la resistenza interna e la densità di energia)
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Bagnabilità (influenza l'infiltrazione degli elettroliti)
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Tortuosità (influenza la velocità di trasporto degli ioni di litio)
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Assorbimento degli elettroliti (influenza la capacità di ritenzione degli elettroliti)
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Stabilità elettrochimica (non partecipazione alle reazioni elettrochimiche)
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Stabilità termica (influenza la sicurezza della batteria)
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Permeabilità all'aria (influenza il trasporto degli ioni di litio)
Un separatore di alta qualità dovrebbe offrire un'eccellente stabilità termica, un'adeguata porosità e una forte capacità di assorbimento e ritenzione dell'elettrolita. Parametri come spessore, porosità, permeabilità all'aria e distribuzione delle dimensioni dei pori influenzano principalmente le prestazioni di trasporto degli ioni di litio, mentre la stabilità elettrochimica e la stabilità termica sono fondamentali per la sicurezza della batteria.
Inoltre, per migliorare ulteriormente le prestazioni della batteria, in particolare la sicurezza e la durata, molti produttori di separatori e batterie applicano rivestimenti funzionali alla superficie del separatore. Questi includono rivestimenti di ossidi inorganici (come Al₂O₃ e boemite) e rivestimenti polimerici (come PVDF), che migliorano significativamente le prestazioni complessive del separatore.
III. Conclusion
In quanto materiali fondamentali che regolano il trasporto degli ioni di litio e la sicurezza delle batterie, elettroliti e separatori svolgono un ruolo decisivo nel determinare le prestazioni, la durata e l'affidabilità della batteria. Una conoscenza approfondita delle loro proprietà, dei processi di produzione e dei parametri tecnici chiave è essenziale per la ricerca e sviluppo, la produzione pilota e la produzione su larga scala delle batterie.
Con una vasta esperienza nella ricerca e sviluppo di laboratori di batterie agli ioni di litio, nelle apparecchiature per la produzione di celle e nelle soluzioni di assemblaggio di pacchi batteria,
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