Строение и роль сепараторов в аккумуляторах
Основные компоненты
Строительными блоками аккумулятора являются катод и анод, и эти два электрода изолированы сепаратором. Сепаратор смачивается электролитом и образует катализатор, который способствует движению ионов от катода к аноду во время зарядки и наоборот во время разрядки. Ионы — это атомы, которые потеряли или получили электроны и стали электрически заряженными. Хотя ионы свободно проходят между электродами, сепаратор является изолятором без электропроводности.
Небольшая величина тока, которая может проходить через сепаратор, является саморазрядом, и это присутствует во всех аккумуляторах в разной степени. Саморазряд в конечном итоге истощает заряд аккумулятора во время длительного хранения. На рисунке 1 показана структура литий-ионного элемента с сепаратором и потоком ионов между электродами.
Рисунок 1. Поток ионов через сепаратор литий-ионов
Сепараторы аккумуляторов обеспечивают барьер между анодом (отрицательным) и катодом (положительным), одновременно обеспечивая обмен ионами лития с одной стороны на другую.
История и конструкции
Ранние аккумуляторы, в частности свинцово-кислотные и никель-кадмиевые, были заливными. С разработкой герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов в 1947 году и необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов в 1970-х годах электролит поглощается пористым сепаратором, который сжимается до электродов для достижения химической реакции. Плотно намотанная или уложенная друг на друга конструкция сепаратора/электрода образует прочный механический блок, который предлагает схожие характеристики с заливным типом, но меньше по размеру и может быть установлен в любой позиции без утечек.
Ранние сепараторы изготавливались из резины, стекловолоконного мата, целлюлозы и полиэтилена. Сначала использовалась древесина, но она разрушалась в электролите. В никелевых аккумуляторах используются сепараторы из пористых полиолефиновых пленок, нейлона или целлофана. Абсорбированный стекловолоконный мат (AGM) в герметичном свинцово-кислотном варианте использует стекловолоконный мат в качестве сепаратора, пропитанный серной кислотой.
Разработанные в 1970-х годах гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы превращали жидкий электролит в полутвердую пасту путем смешивания серной кислоты с кремнеземным гелеобразователем. Гелевые и AGM аккумуляторы имеют незначительные различия в производительности; гелевые аккумуляторы обычно используются в ИБП, а AGM — в стартерных и глубокоцикловых системах.
Коммерчески доступные литий-ионные элементы используют полиолефин в качестве сепаратора. Этот материал обладает превосходными механическими свойствами, хорошей химической стабильностью и низкой стоимостью. Полиолефин — это класс полимеров, производимых из олефина путем полимеризации олефина и этилена. Этилен получают из нефтехимических источников, полиолефин изготавливают из полиэтилена, полипропилена или ламинатов обоих материалов.
Литий-ионный сепаратор должен быть проницаемым, а размер пор — от 30 до 100 нм. (Нм означает нанометр, 10⁻⁹, что равно одной миллионной миллиметра или толщине около 10 атомов). Рекомендуемая пористость составляет 30–50 процентов. Это удерживает достаточно жидкого электролита и позволяет порам закрываться в случае перегрева элемента.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьРазделитель служит предохранителем в литий-ионных аккумуляторах
При чрезмерном нагреве происходит остановка путем закрытия пор литий-ионного сепаратора в процессе плавления. Полиэтиленовый (PE) сепаратор плавится, когда температура ядра достигает 130°C (266°F). Это останавливает транспортировку ионов, фактически отключая ячейку. Без этого механизма тепло в неисправной ячейке может подняться до порога теплового пробоя и выплеснуться пламенем. Этот внутренний предохранитель также помогает пройти строгие транспортные испытания ООН для литиевых аккумуляторов, которые включают моделирование высоты, а также испытания на тепло, вибрацию, удары, внешнее короткое замыкание, перезаряд и принудительный разряд.
Большинство аккумуляторов для мобильных телефонов и планшетов имеют один полиэтиленовый сепаратор. Примерно с 2000 года более крупные промышленные аккумуляторы используют трехслойный сепаратор, который обеспечивает улучшенную защиту предохранителей при экстремальных температурах и в многоэлементных конфигурациях. На рисунке 2 показан трехслойный сепаратор PP/PE/PP, состоящий из полиэтилена посередине, который зажат внешними слоями полипропилена (PP). В то время как внутренний слой PE отключается при 130°C, закрывая поры, внешние слои PP остаются твердыми и не плавятся, пока не достигнут 155°C (311°F).
Рисунок 2: Вид сбоку трехслойного ПП/ПЭ/ПП
Сочетание сепараторного материала с различными свойствами плавления повышает безопасность. ПЭ плавится раньше ПП, чтобы закрыть поры и остановить протекание тока.
Примерно в 2008 году были внесены дальнейшие усовершенствования путем добавления сепаратора с керамическим покрытием. Керамические частицы не плавятся, и это добавление обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Керамическое покрытие также используется на элементах на основе литий-кобальтового оксида (LCO), которые заряжаются до 4,40 В/элемент вместо традиционных 4,20 В/элемент. Керамическое покрытие работает в тандеме со слоями PE и PP и размещается рядом с положительным полюсом, чтобы предотвратить электрический контакт.
Сепаратор должен быть как можно тоньше, чтобы не добавлять мертвого объема, но в то же время обеспечивать достаточную прочность на разрыв, чтобы предотвратить растяжение во время процесса намотки и обеспечить хорошую стабильность на протяжении всего срока службы. Поры должны быть равномерно распределены по листу, чтобы обеспечить равномерное распределение по всей площади сепаратора. Кроме того, сепаратор должен быть совместим с электролитом и обеспечивать легкое смачивание. Сухие участки могут создавать горячие точки из-за повышенного сопротивления, что приводит к выходу из строя элемента.
Сепараторы становятся тоньше. Толщина 25,4 мкм (1,0 мил) является распространенной, но некоторые уменьшаются до 20 мкм, 16 мкм, а теперь даже 12 мкм без существенного снижения свойств элемента. (Один микрон, также известный как мкм, равен одной миллионной метра.) Сепаратор с электролитом в современных литий-ионных аккумуляторах составляет всего 3 процента содержимого элемента.
Ультратонкие сепараторы вызывают беспокойство относительно безопасности. На ум приходит массовый отзыв продукции Sony, когда поломка одного элемента из 200 000 привела к отзыву почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов. В редких случаях микроскопические металлические частицы контактировали с другими частями элемента аккумулятора, что приводило к короткому замыканию. Толщина сепаратора в элементах Sony, о которых идет речь, составляла от 20 мкм до 25 мкм. (Микрометр (мкм) – это тысячная доля миллиметра.) Некоторые сепараторы имеют толщину всего 10 мкм. Микрокороткие замыкания на сепараторах, исследованных в судебно-медицинских лабораториях, имеют диаметр около миллиметра. Хорошо разработанный сепаратор плавится в точке короткого замыкания и обеспечивает локальное отключение.
