1、La définition et l'essence des séparateurs de batteries au lithium

Leséparateur de batterie au lithiumIl s'agit d'un matériau en couche mince à structure microporeuse, situé entre les électrodes positive et négative de la batterie au lithium. Sa fonction principale est d'isoler physiquement les électrodes positive et négative afin d'éviter tout contact direct et tout court-circuit. Parallèlement, il permet aux ions lithium de l'électrolyte de circuler librement, assurant ainsi la conduction ionique pendant la charge et la décharge de la batterie. Il est généralement composé de polymères de haut poids moléculaire (comme le polypropylène, le polyéthylène, etc.) ou de matériaux composites, d'une épaisseur généralement comprise entre 10 et 50 microns. Bien que fin comme une aile de cigale, il assure la sécurité et la stabilité de fonctionnement de la batterie.

2、La fonction principale des séparateurs de batteries au lithium

(1) L'isolation de sécurité élimine le risque de courts-circuits

Le contact direct entre les électrodes positive et négative peut déclencher d'intenses réactions électrochimiques, générant une chaleur importante, voire provoquant l'explosion de la batterie. Le séparateur pour batterie au lithium, grâce à ses propriétés isolantes et à sa fonction de barrière physique, sépare les électrodes positive et négative, évitant ainsi efficacement de telles situations dangereuses. Par exemple, lorsque la batterie est soumise à un impact externe ou présente une structure interne anormale, la structure stable du séparateur minimise considérablement le risque de contact entre les électrodes positive et négative, constituant ainsi une ligne de défense essentielle pour la sécurité de la batterie.

(2) La conduction ionique assure l'efficacité de la charge et de la décharge

Lors des processus de charge et de décharge de la batterie, les ions lithium doivent effectuer des allers-retours entre les électrodes positive et négative. La structure microporeuse du séparateur constitue un canal de transmission dédié aux ions lithium. Des paramètres tels que la taille des pores, l'uniformité de la distribution et la porosité influencent directement la vitesse et l'efficacité de conduction des ions. Des séparateurs de haute qualité permettent aux ions lithium de traverser rapidement et en douceur, améliorant ainsi les taux de charge et de décharge de la batterie, ainsi que son efficacité de conversion énergétique. Des études montrent qu'une amélioration de 10 % des performances de conduction ionique du séparateur permet d'augmenter l'efficacité de charge et de décharge de la batterie de 8 à 10 %.

(3) Maintenir l'électrolyte et stabiliser l'environnement de la batterie

Le séparateur présente d'excellentes capacités d'absorption et de rétention des liquides, permettant d'adsorber une grande quantité d'électrolyte et de créer un environnement électrochimique stable à l'intérieur de la batterie. Cela contribue non seulement à maintenir les réactions chimiques normales de la batterie, mais aussi à réduire l'évaporation et la perte d'électrolyte, prolongeant ainsi sa durée de vie. De plus, un environnement électrolytique stable contribue à améliorer les performances cycliques de la batterie, lui permettant de conserver de bonnes performances même après plusieurs cycles de charge et de décharge.

(4) Contrôler l'expansion de la batterie et améliorer la stabilité structurelle

Lors des processus de charge et de décharge de la batterie, les matériaux des électrodes positive et négative subissent des variations de volume, ce qui peut entraîner une dilatation et une déformation de la structure interne de la batterie. Le séparateur présente une résistance mécanique et une flexibilité qui permettent de limiter cette dilatation, de maintenir la stabilité de la structure interne de la batterie et d'améliorer ainsi sa fiabilité globale. Par exemple, dans les batteries au lithium à haute densité énergétique, la stabilité structurelle du séparateur est essentielle pour prévenir les problèmes tels que les courts-circuits causés par la dilatation de la batterie.

3、Les principaux types de séparateurs de batteries au lithium

(1)Ppolypropylène ppséparateurs

Les cloisons en PP présentent une excellente résistance aux hautes températures, avec un point de fusion supérieur à 160°C, leur permettant de fonctionner de manière stable dans des environnements à haute température. Sa forte stabilité chimique et son faible taux de réaction avec l'électrolyte le rendent adapté aux applications exigeant des exigences élevées en matière de sécurité et de résistance aux températures élevées, comme les batteries de véhicules électriques et les batteries de stockage d'énergie. Cependant, la taille des pores du séparateur en PP est relativement importante et sa résistance élevée, ce qui affecte dans une certaine mesure l'efficacité de charge et de décharge de la batterie.

(2) Séparateur en polyéthylène PE

Le séparateur en PE présente une petite taille de pores, une faible résistance et d'excellentes performances de conduction ionique, ce qui peut augmenter la vitesse de charge et de décharge ainsi que la densité énergétique de la batterie. Sa bonne ténacité le rend adapté aux applications de l'électronique grand public exigeant des performances élevées, comme celles des téléphones portables et des ordinateurs portables. Cependant, la résistance à haute température des cloisons en PE est relativement faible, avec un point de fusion d'environ 130 °C.°CIls sont sujets à la déformation dans les environnements à haute température, ce qui limite leur application dans certains scénarios à haute température.

(3) Cloison composite

Afin de combiner les avantages des cloisons en PP et en PE, des cloisons composites ont vu le jour. Elles sont généralement composées de deux couches de matériaux, le PP et le PE. La couche supérieure en PP offre une résistance aux hautes températures, tandis que la couche inférieure en PE offre une bonne conductivité ionique et une bonne ténacité. Le séparateur composite combine les avantages des deux et offre de bonnes performances dans différents environnements d'utilisation. Il est adapté aux batteries au lithium exigeantes en termes de sécurité et de performances.

(4) Autres nouveaux types de partitions

Avec le développement continu de la technologie des batteries au lithium, de nouveaux types de matériaux séparateurs apparaissent constamment, tels que les séparateurs à revêtement céramique, les séparateurs en tissu non tissé et les séparateurs à électrolyte polymère. Le séparateur à revêtement céramique améliore sa résistance aux hautes températures et sa résistance mécanique grâce à une couche de particules de céramique déposée à la surface du séparateur traditionnel, tout en améliorant la capacité d'adsorption de l'électrolyte. Les séparateurs en tissu non tissé offrent une bonne perméabilité à l'air et une bonne flexibilité, et conviennent à certaines batteries au lithium de structures spéciales. Les séparateurs à électrolyte polymère combinent les fonctions d'électrolyte et de séparateur et devraient offrir une densité énergétique et une sécurité accrues.

4、Méthodes de sélection des séparateurs de batteries au lithium

(1) Choisissez en fonction du type de batterie

Les exigences relatives aux séparateurs varient selon les types de batteries au lithium. Par exemple, les batteries lithium-ion et les batteries lithium-polymère diffèrent par leur structure et leur composition électrolytique, et il est nécessaire de choisir un séparateur adapté. Les batteries lithium-ion utilisent généralement des électrolytes liquides, qui nécessitent des capacités d'absorption et de rétention de liquide élevées. Des séparateurs en PP, PE ou composites peuvent être utilisés. Les batteries lithium-polymère utilisent des électrolytes gélifiés ou solides, et ont des exigences plus strictes en matière de résistance mécanique et de compatibilité du séparateur. Les nouveaux séparateurs en tissu non tissé ou les séparateurs à électrolyte polymère peuvent constituer de meilleurs choix.

(2) Tenez compte de l’environnement de travail

Température ambiante

Si les batteries au lithium doivent fonctionner dans des environnements à haute température, comme à proximité du compartiment moteur d'une voiture ou dans des environnements industriels à haute température, il est recommandé de choisir des séparateurs en PP ou à revêtement céramique offrant une bonne résistance aux hautes températures afin d'éviter toute déformation et tout court-circuit. À basse température, la viscosité de l'électrolyte des batteries augmente et la vitesse de conduction ionique ralentit. Dans ce cas, il est recommandé de choisir des séparateurs en PE ou en composite, présentant des pores de plus grand diamètre et une résistance plus faible, afin d'améliorer les performances de charge et de décharge des batteries à basse température.

Environnement de stress mécanique

Dans certains scénarios sujets aux vibrations et aux chocs mécaniques, comme lors du fonctionnement de véhicules électriques ou du déplacement fréquent d'appareils électroniques portables, la cloison doit présenter une bonne résistance mécanique et une bonne flexibilité pour résister aux contraintes mécaniques sans dommage. Les cloisons composites et les cloisons en tissu non tissé offrent de bonnes performances à cet égard et s'adaptent à des environnements de contraintes mécaniques complexes.

(3) En combinaison avec les exigences de performance

Densité énergétique

Pour les scénarios exigeant une densité énergétique élevée, comme les véhicules électriques et les drones, il est nécessaire de sélectionner des séparateurs à faible résistance et à granulométrie raisonnable afin de réduire les pertes d'énergie à l'intérieur de la batterie, d'améliorer l'efficacité de la conduction ionique et, par conséquent, d'accroître la densité énergétique de la batterie. Les cloisons en PE et les cloisons composites présentent certains avantages à cet égard.

Cycle de vie

Si les batteries au lithium, comme les accumulateurs d'énergie et les batteries d'outils électriques, doivent être fréquemment chargées et déchargées, la stabilité du séparateur est essentielle. Il est recommandé de choisir un séparateur doté d'une structure stable et d'une forte capacité d'absorption et de rétention des liquides lors des multiples processus de charge et de décharge afin de réduire la perte d'électrolyte et le vieillissement du séparateur, et de prolonger la durée de vie de la batterie. Les cloisons à revêtement céramique et les cloisons composites de haute qualité offrent une excellente durée de vie.

Sécurité

La sécurité est une considération primordiale lors de la conception et de l'utilisation des batteries au lithium. Pour les applications aux exigences de sécurité extrêmement élevées, comme les batteries de véhicules électriques et aérospatiales, il est recommandé de choisir des séparateurs offrant une excellente résistance aux températures élevées et à la perforation, tels que les séparateurs à revêtement céramique ou les séparateurs composites multicouches, afin de minimiser au maximum les risques d'accidents tels que les courts-circuits et les incendies.

(4) Faites attention aux paramètres de performance clés de la partition

Taille des pores et porosité

La taille des pores détermine la facilité de passage des ions lithium, tandis que la porosité affecte la capacité d'absorption du liquide du séparateur et le nombre de voies de conduction ionique. En règle générale, les cloisons présentant un diamètre de pores plus petit et une porosité modérée offrent de meilleures performances de conduction ionique et une meilleure sécurité. La combinaison appropriée de taille de pores et de porosité doit être choisie en fonction de la conception spécifique de la batterie et de ses exigences de performance.

Épaisseur et résistance mécanique

L'épaisseur du séparateur influence le volume et la densité énergétique de la batterie. Des séparateurs plus fins peuvent augmenter la teneur en substances actives et améliorer sa densité énergétique, mais imposent également des exigences plus élevées en matière de résistance mécanique. Celle-ci comprend la résistance à la traction et à la perforation, entre autres. Les séparateurs à haute résistance mécanique résistent mieux à la pression interne et aux contraintes mécaniques externes de la batterie, garantissant ainsi sa stabilité structurelle.

Compatibilité des électrolytes

Le séparateur doit être parfaitement compatible avec l'électrolyte et ne doit pas subir de réactions chimiques avec celui-ci, ce qui pourrait entraîner une baisse de ses performances ou une panne de la batterie. Lors du choix d'un séparateur, il est essentiel de comprendre les propriétés chimiques du matériau du séparateur et de l'électrolyte utilisé afin d'éviter toute réaction indésirable entre les deux.

Composants essentiels des batteries au lithium, les performances et la qualité des séparateurs ont un impact direct sur leurs performances globales. Lors du choix d'un séparateur, il est essentiel de prendre en compte de nombreux facteurs, tels que le type de batterie, l'environnement de travail, les exigences de performance et les paramètres clés du séparateur. Parallèlement, il est essentiel de sélectionner un fabricant fiable afin de garantir que le séparateur choisi réponde aux besoins réels de l'application. Avec les progrès constants de la technologie des batteries au lithium, les exigences en matière de séparateurs ne cessent de croître. On s'attend à ce que de nouveaux séparateurs performants et multifonctionnels soient introduits à l'avenir, insufflant un nouvel élan au développement de l'industrie des batteries au lithium.