バッテリーセパレータ – 知っておくべきこと

私たちは皆、バッテリーについて知っています。私たちはまた、それらがどのように機能するかに慣れています。バッテリーは、携帯用電子機器 (電話、ラップトップなど) が完全に充電されていることを確認します。しかし、私たちのほとんどはバッテリーの仕組みを理解していません。気にしなければ助かりますが。この記事では、バッテリー セパレーターについて知っておく必要があるすべてのことを簡単に説明します。

飛び込みましょう。

バッテリー セパレーターとは正確には何ですか?

リチウムイオン電池の構造

バッテリーセパレーターは、アノードとカソードの間の透過膜です。 2つはバッテリーの電極です。

セパレーターは、電気的短絡を避けるために両方の電極を離します。アノードは正極、カソードは負極です。

また、セパレーターは重要なコンポーネントです。それは、カソードまたはアノードのいずれかへの電子の通過として機能します。バッテリー セパレーターは、リチウム イオンの輸送を可能にするために多孔質でなければなりません。

リチウム イオン電池の性能と効率は、セパレータの特性と構造に依存しています。

バッテリーセパレーターの機能とは?

電池セパレーターの機能は、短絡を回避して安全を確保することです。

それだけではありません。

電池セパレーターの主な役割は、イオンを安全に移動させることです。これにより、バッテリーが電子機器を充電します。

バッテリーが充電されると、アノードからカソードへの電子の移動が起こります。そして、電子がカソードからアノードへと逆に移動するとき、バッテリーは放電しています。

バッテリーセパレーターの構造は?

構造は、すべて約 3 つのセクション (カソード、アノード、および多孔性セパレーター) です。シンプルですね。

下の写真を見てみましょう。

AA セルの構造

電子の移動は、アノード電極またはカソード電極からのものです。バッテリーの充電または放電の役割に応じて、カソードは負極であり、アノードは正極です。

セパレータは、電子の移動を可能にするために多孔質です。効率を高めるために、セパレーターは通常、微孔層を形成する高分子膜で構成されています。

細孔は人間の目には見えませんが、リチウム イオンの移動を可能にします。

セパレーターがないと、バッテリーの機能は無効になります。多孔質ポリオレフィンフィルムは、補機バッテリーが理想的な状態（自己放電）のときのイオンの漏れを制御します。

微孔質層は導電性を持たないため、常にアイソレーターとして機能します。

唯一の注意点は、温度がセパレーターの性能に影響することです。温度が一定の温度まで上昇すると、毛穴がふさがれて閉じます。したがって、リチウム イオンの移動を停止します。

バッテリー セパレーターを商用化する材料はどれですか?

材料は不導体である必要があります。 熱安定性が優れている必要があります (この記事の後半で説明します)。

メーカーは、特殊なポリオレフィン グレードを使用して、充電式リチウム イオン電池を製造しています。ポリオレフィン素材は、ポリエチレンとポリプロピレンをラミネートしたものです。

ポリオレフィンは、その機械的特性、化学的安定性のために好まれます。また、企業は低コストのポリオレフィンを好んでいます。

下の画像はポリオレフィン電池セパレーターで、二次電池に適用できます。

ソース:Plasticstoday.com

ポリオレフィン以外の素材には次のものがあります:

• ポリ塩化ビニル
• ナイロン セラミック コーティング層
• ポリエステル
• アスベスト
• ガラスと
• テトラフルオロエチレン。

バッテリー セパレーターの製造プロセス

その構造と同様に、電池セパレーターの製造プロセスは単純です。このプロセスは、ポリオレフィン素材を延伸または湿式加工することによって行われます。

乾燥手順では、機械的な力を使用して毛穴を作成します。また、より高い電力密度に適しています。

湿式法では、ポリオレフィン フィルム材料に添加剤を添加します。したがって、これは毛穴を作成する化学プロセスです。

シンプルですが、乾燥プロセスにより、毛穴の大きさが異なります。その結果、セパレーターの有効性が低下します。乾式手順ではセパレーターも弱くなるため、突き刺し強度が最小限に抑えられます。

湿式プロセスはもう少し複雑で、費用もかかります。幸いなことに、セパレーターに同じ細孔サイズが作成されます。その結果、濡れ性が向上します。

補足 - 湿潤性とは、電池セパレーターが電解質溶液で「湿る」能力です。湿式プロセスは効果的ですが、電解質の保持は増加しません。

バッテリー セパレーターの特性は何ですか?

この質問は、優れた補助バッテリー セパレーターの条件を理解するのに役立ちます。セパレーターは、バッテリーの効率だけでなく、安全性にも関与しています。

両方の要件 (効率と安全性) を最もよく理解するには、それらのさまざまな特性を調べます。それでは行ってみましょう。

リチウムイオン電池

1.化学的安定性

ご存知のように、バッテリーセパレーターは非導電性でなければなりません。つまり、セパレーターはアノード電極またはカソード電極と反応してはなりません。

また、セパレータは化学的に安定している必要があります。繰り返しになりますが、これにより、セパレーターが液体電解質と反応しないことが保証されます。このような安定性は、バッテリーが劣化を克服するのに役立ちます。

2.厚さと機械的強度

目標は、機械的強度を失うことなく薄いバッテリーを開発することです。言い換えると、リチウムイオン バッテリー セパレータが薄いと、出力とエネルギー密度が緩和されます。

これを念頭に置いて、電池メーカーは、一次電池が十分な引張強度を備えていることを保証します。これは、特に巻き上げプロセス中のバッテリーの伸びを防ぐのに役立ちます。

3.気孔率と気孔密度

セパレータが高い細孔密度を有することを意図している。これは電解質を保持し、電極間のリチウムイオンの自由な移動を可能にします。

セパレーターの気孔率は、大きすぎても小さすぎてもいけません。細孔サイズは、バッテリーがシャットダウンするたびに閉じるのに十分な広さでなければなりません.

セパレーターの気孔率をパーセンテージで測定します。平均気孔率は 40% です。はい、毛穴は均一に分布している必要があります。

4.熱安定性

セパレーターは、幅広い温度範囲に耐え、耐える必要があります。非常に高温でカールしたりしわになったりしてはいけません。セパレーターは、熱暴走の前に、ポリマーの融点よりも低い温度でシャットダウンする必要があります .本質的に、これはアニーリングプロセスです。

バッテリー セパレーターの課題 (および解決策) は?

さて、充電式リチウムイオン電池の性能を向上させるための絶え間ない開発が行われています。しかし、これにはかなりの数の課題があります。

これらの課題のほとんどは、新たなニーズによるものです。たとえば、バッテリーが高温に耐える必要性と要件があります。

また、電池の特性を損なうことなく電池を長持ちさせる必要があります。

電池セパレーターの製造が直面する課題には次のようなものがあります:

a) より薄いセパレーターを製造する必要性

b) 濡れ性を高める

c) 高温でのバッテリーの性能を向上させる意図

これらの課題についてさらに説明しましょう。

安定した熱性能の必要性は、電力網と電気自動車の発明によるものです。どちらの発明も、高温に耐えられる頑丈なバッテリーを必要とします。

メーカーは、新しい素材を使用してセルの性能を向上させています。熱安定性はポリオレフィンより優れています。

湿潤性の向上が必要なのは、ポリオレフィンの非相溶性によるものです。ポリマーの選択は、一般的な電解質材料と互換性がありません.

新しい従来の電解質は、高い誘電率が特徴です。これにより、バッテリーの製造工程が短縮されます。

同時に、ポリオレフィンの非相溶性により、電流分布が不均一になります。その結果、一次電池が電気機器を十分に充電できなくなります。

最後に、バッテリーの薄型化への要求は常にあります。予想通り、これは難しい。バッテリーは、より多くの電荷を保持するために、より厚い電極を必要とします。それにもかかわらず、企業は、Lid の高分子量を改善するために特別なポリオレフィン グレードを考え出しています。

リチウムイオン電池に何か進展はありますか?

メーカーは、バッテリー セパレーターの性能を向上させるためにミッドナイト オイルを燃やします。

企業は、湿潤性と熱安定性を高めるための独自の (おそらく特許取得済みの) 方法を開発しています。これまでの改善点をいくつか見てみましょう。

リチウムイオン電池

a) セパレーターをシリカ ナノ粒子で修飾する

このプロセスでは、シリカ ナノ粒子をセパレーターの細孔と細孔壁に付着させます。期待される結果は、バッテリーの電解質に対する濡れ性の改善です。この方法は、バッテリーの耐熱性も高めます。

セパレータ素材が耐熱性を高め、シリカナノ粒子が濡れ性を高めます。

b) 転相プロセスを使用して新しい PEI (ポリエーテルイミド) を生成する

このプロセスでは、PD と BPADA を使用してセパレーターを製造します。バッテリーセパレーターの特性が向上したので助かります。たとえば、セパレーターは幅広い導電率に対応できます。

PEI は、バッテリーの膨張度を最小限に抑えるのにも役立ちます。したがって、電解液のウィッキングが速くなります。

さらに良いことに、バッテリーセパレーターは最大 220°C の熱安定性を示します。

c) 水素誘起架橋 (HHC)

この技術は、PPセパレーター上へのポリエチレンオキシドの共有架橋です。その効果は、ポリオレフィンの電解質親和性の増加です。

このような変更により、リチウムイオン電池は高い容量保持力を備えています。電池の内部抵抗も低いです。

結論

これまで見てきたように、バッテリーセパレーターはアイソレーターとして機能する透過膜です。カソード (負極) をアノード (正極) から分離します。

セパレータは電池の性能を左右する重要な材料です。セパレータの信頼性が低いため、二次電池も同様に品質が低くなります。

バッテリー メーカーは、その性能を向上させる新しいバッテリー セパレータ技術を発見しています。たとえば、そのような二次電池は、WellPCB で入手できる PCB (プリント回路基板) に適用できます。