Tecnología del futuro: Innovaciones en separadores de baterías de iones de litio

¿Qué es el separador en la batería de iones de litio?

El separador es uno de los cuatro materiales clave en un batería de iones de litioEs como el corazón de la batería. El separador actúa como aislante y como capa semipermeable. ¿Por qué es importante? Pues bien, cumple dos funciones principales:

1. En primer lugar, protege la batería. El separador evita que los polos positivo y negativo de la batería se toquen. Esto ayuda a evitar cortocircuitos.
2. En segundo lugar, el separador facilita el correcto funcionamiento de la batería. Al cargarla o usarla, los iones de litio se mueven a través de pequeños orificios en el separador. Este separador es una lámina delgada con numerosos orificios diminutos. Estos orificios deben tener el tamaño adecuado: lo suficientemente grandes para que los iones de litio se muevan, pero lo suficientemente pequeños para bloquear cualquier flujo eléctrico. De esta manera, la batería puede cargarse y funcionar correctamente.

Fabricar el separador perfecto no es tarea fácil. Los orificios deben estar distribuidos uniformemente y ser consistentes. Su fabricación requiere mucha tecnología avanzada. Cuanto mejor sea el separador, mejor funcionará la batería. Por eso, fabricar un buen separador es una tarea difícil con grandes obstáculos técnicos.

Para una batería de primera calidad, el separador debe ser perfecto en muchos aspectos. Debe tener un grosor uniforme, ser resistente (para que no se rompa ni se perfore) y ser estable en diferentes condiciones. Conseguir que todas estas características sean perfectas es un gran reto.

Si el separador no está en buenas condiciones, la batería podría no funcionar correctamente. Esto podría afectar su resistencia, su capacidad de almacenamiento, su duración y su seguridad. El separador es una de las partes más críticas del proceso de fabricación de baterías.

Actualmente, la mayoría de los separadores de baterías comerciales se fabrican con materiales como polietileno (PE) y polipropileno (PP). Las baterías 3C convencionales suelen tener una sola capa de PE o PP. Sin embargo, las baterías de potencia pueden tener dos capas, como las de PE/PP, o incluso tres capas, como las de PP/PE/PP.

El costo de fabricar un separador incluye el costo de los materiales, la energía, la mano de obra y el desgaste a lo largo del tiempo.

Cómo hacer un separador de baterías de iones de litio

Hay dos métodos principales para fabricar separadores de baterías de iones de litio: el proceso seco y el proceso húmedo.

Comenzando con el método seco, existen dos técnicas: la de estiramiento simple y la de estiramiento doble. Esta última fue desarrollada por el Instituto de Química de la Academia China de Ciencias. Sin embargo, su uso actual no está muy extendido debido a que no cumplía con los estándares de rendimiento requeridos. El equipo para el proceso seco es bastante confiable y el proceso es bastante sencillo. Una gran ventaja es que el método seco presenta poca contracción térmica, lo que lo hace más seguro. Además, es más económico. Esto lo hace ideal para fabricar separadores para baterías de almacenamiento, baterías de consumo y baterías de litio de fosfato de hierro.

Por otro lado, el método húmedo es más costoso que el seco. Pero tiene sus ventajas. Los separadores fabricados con el proceso húmedo tienen orificios uniformes y bien ventilados. Además, pueden ser más delgados y ligeros. Muchos creen que los separadores de "base húmeda + capa recubierta" son los mejores para baterías de alta densidad energética. Actualmente, el método húmedo es líder. Se fabrican más separadores mediante el proceso húmedo que mediante el seco, y es la opción preferida en el mercado.

Tendencias futuras en tecnologías de separación de baterías de iones de litio

Los separadores de poliolefina presentan un problema evidente: no toleran bien el calor. Por lo tanto, mejorarlos con un recubrimiento se está convirtiendo en la mejor opción. Cuando decimos que no toleran bien el calor, nos referimos a que no soportan altas temperaturas. Los separadores, fabricados con materiales como PE y PP, son esencialmente plásticos. Pensemos en las bolsas y vasos de plástico que usamos a diario. Se deforman o incluso se encogen formando una bola al exponerse al calor. Si la temperatura aumenta, incluso pueden incendiarse.

Ahora bien, cuando hablamos de "recubrimiento", nos referimos básicamente a añadir una nueva capa al separador original para mejorarlo. Una vez recubiertos, estos separadores soportan mejor el calor y resisten mejor las perforaciones. Esto es crucial si consideramos cómo las baterías pueden calentarse durante la carga rápida. Los separadores recubiertos evitan que los polos positivo y negativo de la batería se toquen y provoquen incendios o explosiones.

La creciente popularidad de los separadores por método húmedo se debe en parte a que este recubrimiento aborda las preocupaciones de seguridad asociadas con este método. El recubrimiento reduce la tendencia del separador a encogerse al calentarse. También mejora significativamente su resistencia a la perforación. Además, no afecta la transpirabilidad del separador, lo que garantiza el flujo de iones de litio. Además, el recubrimiento permite que el separador absorba mejor el electrolito, lo que reduce la resistencia interna de la batería y aumenta su potencia. Esto puede prolongar la vida útil de la batería.

En general, en comparación con los separadores por método seco, el método húmedo con recubrimiento ofrece tamaños de orificio uniformes, buena porosidad y transpirabilidad. Además, en comparación con los separadores por método húmedo estándar, mejora notablemente la resistencia a la perforación y la estabilidad térmica. Esto lo convierte en la mejor opción para separadores en baterías de materiales ternarios. Con la demanda de separadores más delgados y la creciente demanda de baterías más seguras, los separadores recubiertos están conquistando el mercado.

Existen dos tipos principales de recubrimientos: inorgánicos y orgánicos. Los recubrimientos inorgánicos, que utilizan cerámica, boehmita y óxido de aluminio, se centran principalmente en mejorar la estabilidad térmica del separador. Por otro lado, los recubrimientos orgánicos, como la aramida y el PVDF, mejoran las propiedades químicas del separador, como la conductividad iónica, el rendimiento cíclico y el rendimiento de la velocidad. El recubrimiento de aramida es especialmente popular actualmente.

En el mundo real de la producción, los fabricantes suelen utilizar una mezcla de diferentes materiales para el recubrimiento. La mezcla y los disolventes que eligen varían, lo que da lugar a fórmulas diferentes. Aquí es donde observamos diferencias en los separadores recubiertos de un fabricante a otro.

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