1. Зачем нужен керамический сепаратор?
Традиционные жидкостные сепараторы аккумуляторов (например, ПЭ/ПП) склонны к плавлению и усадке при высоких температурах, что приводит к коротким замыканиям между положительным и отрицательным электродами. Например, жидкие электролиты, используемые в традиционных литиевых аккумуляторах, представляют опасность возгорания и протечки.
Хотя в твердотельных аккумуляторах используются твердотельные электролиты, они по-прежнему страдают от высокого межфазного импеданса и риска проникновения литиевых дендритов. В отличие от этого, внедрение керамических сепараторов решает эти проблемы благодаря следующим характеристикам:
(1) Высокая термостойкость:Керамические материалы (например, оксид алюминия и бёмит) обычно имеют температуру плавления более 1500 °C и могут выдерживать высокие температуры свыше 300 °C без выхода из строя, гарантируя безопасную и стабильную работу батареи в экстремальных условиях.
(2) Стойкость к проколам:Керамические частицы обладают высокой твердостью (твердость бемита по шкале Мооса составляет 3,5), что позволяет эффективно блокировать проникновение литиевых дендритов.
(3) Химическая стабильность:Совместимо с твердотельными электролитами, предотвращает побочные реакции и значительно продлевает срок службы аккумулятора.
(4) Функциональная составность:Некоторые керамические материалы (например, ЛАТП) также обладают ионной проводимостью, что позволяет оптимизировать межфазное сопротивление. Эти характеристики делают керамические сепараторы незаменимым компонентом твердотельных аккумуляторов.
2. Типы материалов и структурные процессы керамических сепараторов
(1) Типы материалов:
Алюмооксидная керамика, композитная керамика, нанокерамика.
(2) Структуры:
Керамические сепараторы с покрытием: На поверхность мембран на основе полиолефинов (ПЭ/ПП) наносится керамический слой толщиной 500 нм - 4 мкм, что повышает термостойкость (температурная стойкость до 200 °C).
Композитные керамические сепараторы: Керамические частицы соединяются с полимерными электролитами для формирования трехмерной сети ионной проводимости.
Полностью керамические твердотельные электролиты: керамика типа НАСИКОН (например, ЛЛЗО) или гранатового типа (например, ЛЛТО) используется непосредственно в качестве сепараторов, полностью исключая жидкие электролиты.
(3) Процессы:
Процесс нанесения покрытия: для достижения равномерного одностороннего/двустороннего покрытия керамическим слоем используется метод микрогравировки, глубокой валковой печати или экструзии через щелевую экструзионную головку. Например, толщина бемитового покрытия может точно контролироваться в пределах 1–2 мкм, обеспечивая баланс между безопасностью и плотностью энергии.
Технология спекания: Высокотемпературное спекание (800-1200 °C) используется для прочного соединения керамических частиц с базовой мембраной, образуя плотный слой.
Регулирование интерфейса: между керамическим слоем и электродом вводятся искусственные пленки СЭИ или быстрые ионные проводники (например, LiTFSI) для снижения импеданса интерфейса.