В чём разница между сепаратором и электролитом?
В литий-ионных батареях электролит и сепаратор, наряду с катодом и анодом, составляют четыре основных материала батареи. Если катод и анод определяют верхний предел плотности энергии, то электролит можно рассматривать как «кровь» батареи, а сепаратор действует как «предохранительный клапан», поддерживающий порядок и безопасность. Вместе они определяют, могут ли ионы лития эффективно, безопасно и стабильно перемещаться внутри батареи, играя решающую роль в общей производительности и надежности батареи.
I. «Кровь» литий-ионных батарей — электролит
Как общеизвестно, электролит называют «кровью» литиевой батареи. Только после введения электролита батарея действительно становится работоспособной; в противном случае она представляет собой лишь пустую «оболочку» без какой-либо реальной субстанции. Можно сказать, что момент введения электролита — это как если бы телу дали душу, мгновенно оживив батарею.
Электролит — это бесцветная и прозрачная жидкость, ключевой компонент литий-ионных батарей. Наряду с катодом, анодом и сепаратором, он является одним из четырех основных материалов литиевых батарей. Его основная роль заключается в обеспечении переноса ионов лития внутри батареи, что делает возможными процессы заряда и разряда.
1. Состав электролита
Он
электролит литий-ионной батареи
В основном состоит из органических растворителей, солей лития и добавок.
-
Органические растворители
Как правило, это растворители на основе карбонатов, такие как диметилкарбонат (ДМК), этилметилкарбонат (ЭМК), диэтилкарбонат (ДЭК) и этиленкарбонат (ЭК). На практике часто смешивают несколько растворителей для достижения баланса между ионной проводимостью, вязкостью и характеристиками при низких температурах.
К распространенным солям лития относятся гексафторфосфат лития (LiPF₆), бис(фторсульфонил)имид лития (LiFSI) и бис(трифторметансульфонил)имид лития (LiTFSI). Среди них LiPF₆ остается наиболее широко используемым в коммерческих целях.
Для обеспечения стабильности электролита, повышения эффективности заряда-разряда и увеличения срока службы — или для удовлетворения конкретных функциональных требований — обычно добавляют небольшое количество присадок. Типичные примеры включают:
-
Пленкообразующие добавки: фторэтиленкарбонат (ФЭК), виниленкарбонат (ВК).
-
Добавки для улучшения характеристик при низких температурах: DTD
-
Огнезащитные добавки: соединения на основе фосфатов.
Несмотря на то, что добавки используются в небольших количествах, они часто оказывают существенное влияние на работу батареи.
2. Процесс производства электролитов
Процесс производства электролита относительно прост, однако требует строгого контроля окружающей среды и точного управления технологическим процессом.
Согласно рецептуре, растворители, прошедшие тщательную обработку обезвоживанием, сначала добавляются в требуемых пропорциях в смесительный реактор, защищенный инертной атмосферой (обычно азотом). Затем включается охладитель для охлаждения смеси растворителей. После достижения необходимой температуры медленно добавляют соль лития при перемешивании, чтобы обеспечить полное растворение.
В ходе этого процесса растворение солей лития, особенно LiPF₆, является экзотермическим, что приводит к повышению температуры раствора. Поэтому охлаждение необходимо применять как до, так и во время добавления соли. Соль лития следует добавлять медленно и небольшими порциями, постоянно контролируя температуру, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев, который может ухудшить качество электролита.
После полного растворения соли лития вводятся необходимые добавки, которые тщательно перемешиваются. После отбора проб и проведения испытаний, подтверждающих соответствие техническим требованиям, электролит заливается под давлением в контейнеры из нержавеющей стали и выдерживается в течение определенного времени перед окончательной упаковкой и хранением.
3. Ключевые технические параметры электролита
В зависимости от состава и требований заказчика, технические характеристики электролита могут различаться. К общим техническим параметрам относятся следующие:
Ионная проводимость — одно из важнейших свойств электролита, поскольку она напрямую влияет на перенос ионов лития внутри батареи. Высокая проводимость обеспечивает зарядку и разрядку при высоких скоростях и токах.
Проводимость сильно зависит от концентрации соли лития и состава растворителя. Как правило, проводимость электролита колеблется от 5 до 15 мСм/см.
Плотность в основном зависит от состава растворителя и концентрации соли лития. Более высокое содержание плотных растворителей или более высокое содержание соли приводит к более высокой плотности электролита. Типичный диапазон составляет 1,0–1,5 г/мл.
Влажность — важнейший параметр, обычно возникающий из-за недостаточной сушки сырья или в процессе обработки. Избыточная влажность может привести к реакции солей лития с водой, образуя кислотные соединения, которые ухудшают характеристики батареи.
Как правило, содержание влаги должно быть ниже 10 ppm, а максимальный предел составляет 20 ppm.
Высокая кислотность может вызывать коррозию внутренних компонентов батареи и запускать побочные реакции, приводящие к снижению емкости и ухудшению характеристик циклической работы.
Качественный электролит должен быть бесцветным и прозрачным. Неправильная эксплуатация или определенные добавки могут вызвать изменение цвета. Производители батарей обычно не предъявляют слишком строгих требований к цвету, и значения ниже 50, как правило, допустимы; более высокие значения считаются дефектными.
Вязкость влияет на подвижность ионов лития. В идеале предпочтительнее более низкая вязкость. Электролиты с более высоким содержанием солей лития или более высоким содержанием ЭК, как правило, имеют более высокую вязкость, в то время как электролиты, богатые линейными карбонатами, обычно имеют более низкую вязкость.
Для высокотехнологичных применений строго контролируется содержание ионных примесей, особенно ионов металлов, таких как медь и железо. Эти примеси могут вызывать внутренние реакции и представлять опасность для безопасности, поэтому устанавливаются строгие ограничения.
Помимо соответствия вышеуказанным требованиям, идеальный электролит должен обладать высокой диэлектрической постоянной, широким электрохимическим окном, хорошей электрохимической и термической стабильностью, низкой стоимостью, нетоксичностью и высокой безопасностью. Однако одновременное достижение этих свойств часто затруднительно. Например, электролиты с высокой проводимостью и высокой диэлектрической постоянной обычно имеют более высокую вязкость, и наоборот.
В последние годы стремление к повышению плотности энергии и появление полностью твердотельных батарей оказали определенное влияние на индустрию электролитов. Однако, учитывая текущее состояние технологий твердотельных батарей, пройдет много времени, прежде чем они смогут полностью заменить жидкостные литиевые батареи. В обозримом будущем жидкостные литий-ионные батареи останутся доминирующими, и поэтому ожидается, что рынок электролитов останется относительно стабильным.
II. «Предохранительный клапан» литий-ионных батарей — сепаратор
Он
сепаратор литий-ионных батарей
Катод — ещё один незаменимый компонент литиевых батарей и один из четырёх основных материалов. Обычно это белая пористая полимерная плёнка из полиэтилена (ПЭ) или полипропилена (ПП). Её основная функция — физическое разделение катода и анода, предотвращающее внутренние короткие замыкания.
1. Функции сепаратора
-
Для изоляции катода и анода, предотвращения внутренних коротких замыканий.
-
Для обеспечения путей переноса ионов лития во время заряда и разряда (блокирование электронов при одновременном пропускании ионов).
2. Типы и процессы производства сепараторов
В зависимости от процесса производства сепараторы в основном классифицируются на сепараторы сухого и мокрого действия, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
(1) Сепараторы сухого процесса
В сепараторах сухого процесса используется кристаллизация полипропилена (ПП) или полиэтилена (ПЭ) под высоким напряжением. Сначала изготавливается пленка с высокой степенью ориентации и низкой степенью кристалличности, затем она растягивается для образования микродефектов, которые впоследствии расширяются путем высокотемпературного отжига для создания одноосноориентированной пористой мембраны.
Плавление → Литье → Термообработка → Вытягивание → Готовое изделие
Низкая стоимость и хорошая термостойкость; широко используется в обычных литиевых батареях.
(2) Сепараторы мокрого процесса
Сепараторы, изготавливаемые влажным способом, обычно производятся методом термоиндуцированного фазового разделения (TIPS). Полиолефины смешиваются с высококипящими низкомолекулярными растворителями (такими как парафиновое масло) для образования однородного раствора. При охлаждении происходит фазовое разделение твердой и жидкой фаз или жидкой и жидкой фаз, в результате чего образуется двухфазная структура. Двухосное растяжение ориентирует полимерные цепи, после чего
методом экстракции растворителем для получения микропористого сепаратора.
Смешивание сырья → Экструзионное формование → Вытягивание → Вытяжка → Термофиксация → Готовый продукт
Более высокая стоимость и более высокая прочность на разрыв; в основном используется в высококачественных литиевых батареях.
3. Ключевые показатели эффективности сепараторов
Рабочие характеристики сепаратора напрямую влияют на скорость разряда батареи, безопасность и срок ее службы. Ключевые показатели включают:
-
Средний размер и распределение пор (влияют на перенос ионов лития)
-
Пористость (влияет на перенос ионов лития)
-
Толщина (влияет на внутреннее сопротивление и плотность энергии)
-
Смачиваемость (влияет на проникновение электролитов)
-
Извилистость (влияет на скорость переноса ионов лития)
-
Поглощение электролитов (влияет на способность удерживать электролиты)
-
Электрохимическая стабильность (неучастие в электрохимических реакциях)
-
Термостойкость (влияет на безопасность батареи)
-
Воздухопроницаемость (влияет на перенос ионов лития)
Высококачественный сепаратор должен обладать превосходной термической стабильностью, соответствующей пористостью, а также высокой способностью к поглощению и удержанию электролита. Такие параметры, как толщина, пористость, воздухопроницаемость и распределение размеров пор, в первую очередь влияют на эффективность переноса литий-ионов, в то время как электрохимическая и термическая стабильность имеют решающее значение для безопасности батареи.
Кроме того, для дальнейшего повышения производительности батарей, особенно в части безопасности и срока службы, многие производители сепараторов и батарей наносят на поверхность сепаратора функциональные покрытия. К ним относятся покрытия из неорганических оксидов (таких как Al₂O₃ и бёмит) и полимерные покрытия (такие как PVDF), которые значительно улучшают общие характеристики сепаратора.
III. Заключение
Электролиты и сепараторы, являясь основными материалами, определяющими перенос литий-ионов и безопасность батареи, играют решающую роль в определении производительности, срока службы и надежности батареи. Глубокое понимание их свойств, производственных процессов и ключевых технических параметров имеет важное значение для исследований и разработок батарей, опытного производства и крупномасштабного производства.
Обладая обширным опытом в области лабораторных исследований и разработок литий-ионных батарей, оборудования для производства элементов и решений для сборки аккумуляторных блоков,
Эйси Нью Энерджи
стремится оказывать поддержку исследователям, производителям и новым участникам отрасли в создании эффективных, надежных и масштабируемых решений.
линии по производству литиевых батарей
От оценки материалов и разработки технологических процессов до полной интеграции производственной линии, компания Acey New Energy предоставляет профессиональную техническую поддержку и комплексные решения для развивающейся отрасли литий-ионных аккумуляторов.
