Керамический сепаратор: защитник безопасности твердотельных аккумуляторов
1. Зачем нужен керамический сепаратор?
Традиционные жидкие сепараторы аккумуляторов (например, ПЭ/ПП) склонны к плавлению и усадке при высоких температурах, что приводит к коротким замыканиям между положительными и отрицательными электродами. Например, жидкие электролиты, используемые в традиционных литиевых аккумуляторах, представляют опасность возгорания и утечки.
Хотя твердотельные батареи используют твердотельные электролиты, они все еще страдают от высокого межфазного импеданса и риска проникновения литиевых дендритов. Напротив, внедрение керамических сепараторов решает эти болевые точки с помощью следующих характеристик:
(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 безопасность и стабильность работы батареи в экстремальных условиях.
(2)Устойчивость к проколам: Керамические частицы обладают высокой твердостью (твердость бемита по шкале Мооса составляет 3,5), что позволяет эффективно блокировать прокалывание литиевых дендритов.
(3)Химическая стабильность: совместим с твердотельными электролитами, предотвращает побочные реакции и значительно продлевает срок службы аккумулятора.
(4)Функциональная композитность: Некоторые керамические материалы (например, ЛАТП) также обладают ионной проводимостью, что может оптимизировать межфазное сопротивление. Эти характеристики делают керамические сепараторы незаменимым основным компонентом твердотельных батарей.
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 полиолефина (ПЭ/ПП) наносится керамический слой толщиной 500 нм - 4 мкм, что повышает термостойкость (температурная стойкость до 200°С).
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: Микрогравюрное покрытие с помощью валика или щелевое экструзионное покрытие используется для достижения равномерного одностороннего/двустороннего покрытия керамического слоя. Например, толщина покрытия из бёмита может точно контролироваться в пределах 1-2 мкм, что обеспечивает баланс между безопасностью и плотностью энергии.
Технология спекания: Высокотемпературное спекание (800-1200°C) применяется 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.