Home - Blog

Batterijscheiders – alles wat u moet weten

Batterijscheiders-We weten allemaal wat batterijen zijn. We zijn er ook aan gewend hoe ze werken. Batterijen zorgen ervoor dat onze draagbare elektronica (telefoons, laptops, enz.) volledig opgeladen is. Maar de meesten van ons begrijpen niet hoe een batterij werkt. Het zou echter helpen als u zich geen zorgen maakt. Dit artikel vereenvoudigt en legt alles uit wat u moet weten over batterijseparatoren.

Laten we er eens induiken. 

Batterijscheiders-Wat is een accuscheider precies?

Batterijscheiders 1

Lithium-ion batterij structuur

Een batterijseparator is een doorlaatbaar membraan tussen de anode en de kathode. Deze twee zijn de elektroden van de batterij. 

De separator houdt beide elektroden uit elkaar om een elektrische kortsluiting te voorkomen. De anode is de positieve elektrode en de kathode is de negatieve elektrode.

Ook de separator is een kritische component. Hij fungeert als een doorgang van elektronen van en naar de kathode of de anode. De scheider van de batterij moet poreus zijn om het transport van de lithium-ionen mogelijk te maken.

De prestaties en efficiëntie van Lithium-ion batterijen zijn afhankelijk van de eigenschappen en structuur van de separator.

Batterijscheiders-Wat is de functie van een accuscheider?

De functie van een accuscheider is het garanderen van de veiligheid door kortsluiting te voorkomen.

Maar dat is niet alles.

De belangrijkste rol van een batterijseparator is een veilige verplaatsing van ionen mogelijk te maken. Dit is wat ervoor zorgt dat de batterij uw elektronische apparaat oplaadt. 

De beweging van elektronen van de anode naar de kathode gebeurt wanneer de batterij wordt opgeladen. En wanneer de elektronen in omgekeerde richting bewegen, van de kathode naar de anode, ontlaadt de batterij zich.  

Wat is de structuur van een batterijseparator?

De structuur bestaat uit drie delen: de kathode, de anode en een poreuze scheider. Eenvoudig, toch? 

Laten we eens kijken naar de onderstaande afbeelding. 

Batterijscheiders 2

AA-celstructuur

De elektronenbeweging vindt plaats vanaf de anode- of de kathode-elektrode. De kathode is de negatieve elektrode, terwijl de anode de positieve elektrode is, afhankelijk van de laad- of ontlaadfunctie van de batterij.  

De separator is poreus om elektronenbeweging mogelijk te maken. Met het oog op de efficiëntie bestaat de separator meestal uit polymere membranen die microporeuze lagen vormen.

Hoewel de poriën niet zichtbaar zijn voor het menselijk oog, maken zij de beweging van lithium-ionen mogelijk.

Zonder de separator is de functionaliteit van een batterij onbestaande. De poreuze polyolefinefolies controleren het weglekken van ionen wanneer een hulpbatterij ideaal is (zelfontlading). 

De microporeuze laag laat geen elektrische geleiding toe, en werkt dus altijd als een isolator.

De enige opmerking is dat de temperatuur van invloed is op de prestaties van de scheiders. Als de temperatuur tot een bepaald punt stijgt, blokkeren de poriën en vallen ze uit elkaar. Hierdoor wordt de beweging van lithium-ionen gestopt.

Van welke materialen worden commerciële scheiders voor batterijen gemaakt?

Het materiaal moet een niet-geleider zijn. En moet een grote thermische stabiliteit hebben (wordt later in dit artikel uitgelegd).

Fabrikanten gebruiken speciale polyolefine-kwaliteiten om oplaadbare lithium-ion batterijen te produceren. Het polyolefine materiaal ontstaat door polyethyleen en polypropyleen aan elkaar te lamineren.

Polyolefine geniet de voorkeur vanwege zijn mechanische eigenschappen en chemische stabiliteit. Bedrijven geven ook de voorkeur aan polyolefine vanwege de lage kosten.

De afbeelding hieronder is een polyolefine batterijseparator, dus toepasbaar in oplaadbare batterijen. 

Batterijscheiders 3

Bron: Plasticstoday.com

Naast polyolefine zijn er nog andere materialen:

Polyvinylchloride 

Nylon keramische coatinglaag

Polyester

Asbest

Glas en

Tetrafluorethyleen. 

Batterijscheiders-Fabricageproces voor een batterijseparator

Net als de structuur is ook het productieproces van batterijseparatoren eenvoudig. Het procédé bestaat in het uitrekken of nat bewerken van het polyolefine materiaal.

Bij de droge procedure wordt een mechanische kracht gebruikt om de poriën te creëren. En is geschikt voor hogere vermogensdichtheden. 

Bij de natte bewerking worden additieven aan het polyolefine-filmmateriaal toegevoegd. Het is dus een chemisch proces om poriën te creëren.

Hoewel eenvoudig, zorgt het droge proces ervoor dat de poriën verschillende afmetingen hebben. Het resultaat is een vermindering van de doeltreffendheid van de afscheider. Het droge procédé verzwakt ook de afscheider, waardoor zijn perforatievermogen afneemt.

Het natte proces is iets gecompliceerder – en ook duur. Gelukkig creëert het dezelfde poriegrootte voor de afscheider. Het resultaat is een verbetering van de bevochtigbaarheid.

Kanttekening – bevochtigbaarheid is het vermogen van de batterijseparator om “nat” te worden met de elektrolytoplossing. Hoewel het bevochtigingsproces effectief is, verhoogt het niet de elektrolytretentie.

Wat zijn de eigenschappen van een batterij separator?

Deze vraag helpt te begrijpen wat een goede hulpaccuscheider is. De separator is niet alleen verantwoordelijk voor de efficiëntie van de batterij, maar ook voor de veiligheid.

We begrijpen beide vereisten (efficiëntie en veiligheid) het best door de verschillende eigenschappen te onderzoeken. Laten we dat eens proberen. 

Lithium-Ion-batterij

1. Batterijscheiders-Chemische stabiliteit

Zoals u al weet, moet een batterijseparator niet-geleidende eigenschappen hebben. Dat wil zeggen dat de scheider niet mag reageren met anode- of kathode-elektroden.

De separator moet ook chemisch stabiel blijven. Nogmaals, dit zorgt ervoor dat de separator niet reageert met de vloeibare elektrolyt. Een dergelijke stabiliteit helpt de batterij degradatie te overwinnen.

2. Batterijscheiders-Dikte en mechanische sterkte

Het doel is een dunne batterij te ontwikkelen zonder aan mechanische sterkte in te boeten. Met andere woorden, als de separator van een Li-Ion-batterij dun is, komt dit het vermogen en de energiedensiteit ten goede.

Met dit in gedachten zorgen batterijfabrikanten ervoor dat de primaire batterij voldoende treksterkte heeft. Dit helpt te voorkomen dat de batterij uitrekt, vooral tijdens een wikkelproces.

3. Batterijscheiders-Poreusheid en poriëndichtheid

Het is de bedoeling dat de separator een hoge poriëndichtheid heeft. Dit houdt elektrolyten vast en maakt vrije beweging van lithium-ionen tussen de elektroden mogelijk.

De porositeit van de separator moet niet te groot, niet te klein zijn. De poriegrootte moet groot genoeg zijn om te sluiten wanneer de batterij wordt uitgeschakeld.

We meten de porositeit van een separator in procenten. De gemiddelde porositeit is 40 procent. En ja, de poriën moeten gelijkmatig verdeeld zijn.

4. Thermische stabiliteit

De separator moet een breed temperatuurbereik kunnen doorstaan. Hij mag niet omkrullen of rimpelen bij zeer hoge temperaturen. De separator moet uitschakelen bij temperaturen die lager liggen dan het smeltpunt van het polymeer, voordat de thermische runaway optreedt. In wezen is dit het gloeiproces. 

Uitdagingen (en oplossingen) met batterijseparatoren?

Goed, er zijn voortdurend ontwikkelingen om de prestaties van oplaadbare Li-ion batterijen te verbeteren. Maar, dat gaat gepaard met heel wat uitdagingen.

De meeste van deze uitdagingen zijn te wijten aan opkomende behoeften. Zo zijn er bijvoorbeeld behoeften en eisen aan batterijen die bestand zijn tegen hoge temperaturen. 

Ook moeten batterijen lang meegaan zonder dat dit ten koste gaat van hun celeigenschappen. 

Enkele van de uitdagingen waarmee de fabricage van batterijseparatoren wordt geconfronteerd, zijn

a) De noodzaak om dunnere separatoren te produceren

b) De bevochtigbaarheid verhogen 

c) De bedoeling om de prestaties van de batterij bij hoge temperaturen te verbeteren

Ik zal deze uitdagingen nader toelichten.

De behoefte aan stabiele thermische prestaties is het gevolg van de uitvinding van elektriciteitsnetten en elektrische auto’s. Beide uitvindingen vereisen batterijen voor zwaar gebruik die bestand zijn tegen hoge temperaturen.

Fabrikanten verbeteren de prestaties van de cellen door nieuwe materialen te gebruiken. De thermische stabiliteit is beter dan die van polyolefine.

De behoefte aan betere bevochtigbaarheid is te wijten aan de onverenigbaarheid van polyolefine. De keuze van het polymeer is niet verenigbaar met de gebruikelijke elektrolytmaterialen.

De nieuwe, conventionele elektrolyten worden gekenmerkt door hoge diëlektrische constanten. Dit helpt het fabricageproces van de batterij te verkorten.

Tegelijkertijd leidt de onverenigbaarheid van polyolefine tot een ongelijkmatige stroomverdeling. Het resultaat is een primaire batterij die uw elektrisch toestel niet lang genoeg oplaadt.

Tenslotte is er altijd vraag naar dunnere batterijen. Zoals verwacht, is dit een uitdaging. Batterijen hebben dikkere elektroden nodig om meer lading vast te houden. Niettemin komen bedrijven met speciale polyolefine kwaliteiten om het hoge moleculaire gewicht van Lid te verbeteren. 

Zijn er ontwikkelingen in Lithium Ion batterijen? 

Fabrikanten branden zich het vuur uit de sloffen om de prestaties van batterijseparatoren te verbeteren.

Bedrijven ontwikkelen unieke (en mogelijk gepatenteerde) manieren om de bevochtigbaarheid en de thermische stabiliteit te verbeteren. Laten we eens kijken naar enkele van de verbeteringen tot nu toe. 

Lithium-Ion-batterij 

a) Versieren van de separator met siliciumdioxide nanodeeltjes

Bij dit proces worden silicananodeeltjes op de poriën en poriewanden van de separator aangebracht. Het verwachte resultaat is een verbeterde bevochtiging met de elektrolyt van de batterij. De methode verbetert ook de hittebestendigheid van de batterij.

Terwijl het separatormateriaal de hittebestendigheid verhoogt, verbeteren de siliciumnanodeeltjes de bevochtigbaarheid.

b) Gebruik van het fase-inversieproces voor de productie van nieuwe PEI’s (polyetherimiden)

Bij dit proces worden PD en BPADA gebruikt om separatoren te produceren. Het is nuttig omdat de batterijseparator nu betere eigenschappen heeft. Zo kan de separator een breed gamma van geleidingswaarden aan.

De PEI’s helpen ook de mate van zwelling van de batterij te minimaliseren. Dit resulteert in een snelle afvoer van elektrolyt.

Nog beter is dat de batterijseparator thermisch stabiel is tot 220°C.

c) Batterijscheiders-Waterstofgeïnduceerde verknoping (HHC)

De techniek is een covalente verknoping van een polyethyleenoxide op een PP-scheider. Het effect is een verhoging van de elektrolytaffiniteit van de polyolefine.

Met een dergelijke modificatie hebben Li-ion batterijen een hoog capaciteitsbehoud. De batterijen hebben ook een lage inwendige weerstand.

Conclusion 

Zoals we hebben gezien, is een accuscheider een doorlatend membraan dat als isolator fungeert. Het scheidt de kathode (negatieve elektrode) van de anode (positieve elektrode).

De separator is een essentieel materiaal omdat het de doeltreffendheid van de batterij bepaalt. Met een weinig betrouwbare separator is een secundaire batterij van even lage kwaliteit.

Fabrikanten van batterijen ontdekken nieuwe technologie voor batterijseparatoren om de prestaties ervan te verbeteren. Dergelijke secundaire batterijen zijn bijvoorbeeld toepasbaar in PCB’s (printed circuit boards), verkrijgbaar bij WellPCB.

Hommer Zhao
Hallo, ik ben Hommer, de oprichter van WellPCB. Tot nu toe hebben we meer dan 4.000 klanten wereldwijd. Voor vragen kunt u gerust contact met mij opnemen. Bij voorbaat bedankt.

Diensten