Будова та роль сепараторів у акумуляторах
Основні компоненти
Будівельними блоками акумулятора є катод і анод, і ці два електроди ізольовані сепаратором. Сепаратор зволожується електролітом і утворює каталізатор, який сприяє руху іонів від катода до анода під час заряджання та навпаки під час розряджання. Іони - це атоми, які втратили або отримали електрони та стали електрично зарядженими. Хоча іони вільно проходять між електродами, сепаратор є ізолятором без електропровідності.
Невелика величина струму, яка може проходити через сепаратор, є саморозрядом, і це присутнє у всіх акумуляторах різною мірою. Саморозряд зрештою виснажує заряд акумулятора під час тривалого зберігання. На рисунку 1 показано структуру літій-іонного елемента із сепаратором та потоком іонів між електродами.
Рисунок 1. Потік іонів через сепаратор літій-іонів
Сепаратори акумуляторів забезпечують бар'єр між анодом (негативним) та катодом (позитивним), одночасно забезпечуючи обмін іонами літію з одного боку на інший.
Історія та конструкції
Ранні акумулятори, зокрема свинцево-кислотні та нікель-кадмієві, були затопленими. З розробкою герметичних нікель-кадмієвих акумуляторів у 1947 році та свинцево-кислотних акумуляторів, що не потребують обслуговування, у 1970-х роках електроліт поглинається пористим сепаратором, який стискається до електродів для досягнення хімічної реакції. Щільно намотана або укладена один на одного конструкція сепаратора/електрода утворює міцний механічний блок, який пропонує подібні характеристики до затопленого типу, але менший за розміром і може бути встановлений у будь-якій позиції без витоків.
Ранні сепаратори виготовлялися з гуми, скловолокнистого мата, целюлози та поліетилену. Спочатку використовувалася деревина, але вона руйнувалася в електроліті. У нікелевих акумуляторах використовуються сепаратори з пористих поліолефінових плівок, нейлону або целофану. Абсорбований скловолокнистий мат (AGM) у герметичному свинцево-кислотному варіанті використовує скловолокнистий мат як сепаратор, просочений сірчаною кислотою.
Раніше розроблені в 1970-х роках гелеподібні свинцево-кислотні акумулятори перетворювали рідкий електроліт на напівтверду пасту шляхом змішування сірчаної кислоти з кремнеземним гелеутворювачем. Гелеві та AGM акумулятори мають незначні відмінності в продуктивності; гелеві акумулятори зазвичай використовуються в ДБЖ, а AGM - у стартерних та глибокоциклових системах.
Комерційно доступні літій-іонні елементи використовують поліолефін як сепаратор. Цей матеріал має чудові механічні властивості, добру хімічну стабільність і є низькою вартістю. Поліолефін – це клас полімерів, що виробляються з олефіну шляхом полімеризації олефіну та етилену. Етилен отримують з нафтохімічних джерел, поліолефін виготовляють з поліетилену, поліпропілену або ламінатів обох матеріалів.
Літій-іонний сепаратор має бути проникним, а розмір пор – від 30 до 100 нм. (Нм означає нанометр, 10⁻⁹, що дорівнює одній мільйонній міліметра або товщині близько 10 атомів). Рекомендована пористість становить 30–50 відсотків. Це утримує достатньо рідкого електроліту та дозволяє порам закриватися у разі перегріву елемента.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиРоздільник служить запобіжником у літій-іонних акумуляторах
При надмірному нагріванні відбувається зупинка, шляхом закриття пор літій-іонного сепаратора в процесі плавлення. Поліетиленовий (PE) сепаратор плавиться, коли температура ядра досягає 130°C (266°F). Це зупиняє транспортування іонів, фактично вимикаючи комірку. Без цього положення тепло в несправній комірці може піднятися до порогу теплового виходу та виплеснутися полум'ям. Цей внутрішній запобіжник також допомагає пройти суворі транспортні випробування ООН для літієвих акумуляторів, які включають моделювання висоти, а також випробування на тепло, вібрацію, удари, зовнішнє коротке замикання, перезаряд та примусовий розряд.
Більшість акумуляторів для мобільних телефонів і планшетів мають один поліетиленовий сепаратор. Приблизно з 2000 року більші промислові акумулятори використовують тришаровий сепаратор, який забезпечує покращений захист запобіжників при екстремальних температурах та в багатоелементних конфігураціях. На рисунку 2 показано тришаровий сепаратор PP/PE/PP, що складається з поліетилену посередині, який затиснутий зовнішніми шарами поліпропілену (PP). У той час як внутрішній шар PE вимикається при 130°C, закриваючи пори, зовнішні шари PP залишаються твердими і не плавляться, доки не досягнуть 155°C (311°F).
Рисунок 2: Вигляд збоку тришарової ПП/ПЕ/ПП
Поєднання сепараторного матеріалу з різними властивостями плавлення підвищує безпеку. ПЕ плавиться раніше за ПП, щоб закрити пори та зупинити протікання струму.
Приблизно у 2008 році було внесено подальші вдосконалення шляхом додавання сепаратора з керамічним покриттям. Керамічні частинки не плавляться, і це додавання забезпечує додатковий рівень безпеки. Керамічне покриття також використовується на елементах на основі літій-кобальтового оксиду (LCO), які заряджаються до 4,40 В/елемент замість традиційних 4,20 В/елемент. Керамічне покриття працює в тандемі з шарами PE та PP і розміщується поруч із позитивним полюсом, щоб запобігти електричному контакту.
Сепаратор має бути якомога тоншим, щоб не додавати мертвого об'єму, але водночас забезпечувати достатню міцність на розтяг, щоб запобігти розтягуванню під час процесу намотування та забезпечити хорошу стабільність протягом усього терміну служби. Пори повинні бути рівномірно розподілені по листу, щоб забезпечити рівномірний розподіл по всій площі сепаратора. Крім того, сепаратор має бути сумісним з електролітом та забезпечувати легке змочування. Сухі ділянки можуть створювати гарячі точки через підвищений опір, що призводить до виходу з ладу елемента.
Сепаратори стають тоншими. Товщина 25,4 мкм (1,0 міл) є поширеною, але деякі зменшуються до 20 мкм, 16 мкм, а тепер навіть 12 мкм без суттєвого зниження властивостей елемента. (Один мікрон, також відомий як мкм, дорівнює одній мільйонній метра.) Сепаратор з електролітом у сучасних літій-іонних акумуляторах становить лише 3 відсотки вмісту елемента.
Ультратонкі сепаратори викликають занепокоєння щодо безпеки. На думку спадає масове відкликання продукції Sony, коли поломка одного елемента з 200 000 призвела до відкликання майже шести мільйонів літій-іонних акумуляторів. У рідкісних випадках мікроскопічні металеві частинки контактували з іншими частинами елемента акумулятора, що призводило до короткого замикання. Товщина сепаратора в елементах Sony, про які йде мова, становила від 20 мкм до 25 мкм. (Мікрометр (мкм) – це тисячна частка міліметра.) Деякі сепаратори мають товщину всього 10 мкм. Мікрокороткі замикання на сепараторах, досліджених у судово-медичних лабораторіях, мають діаметр близько міліметра. Добре розроблений сепаратор плавиться в точці короткого замикання та забезпечує локальне відключення.
