Определение характеристик аккумуляторных сепараторов с помощью POROLUX™ 1000

НОЯ292018

Никель-кадмиевые батареи (NiCd) (впервые выпущенные в 1946 г.) являются недорогими, но они обладают низкой энергетической плотностью и подвергаются саморазряжению. Однако самое большое затруднение связано с их токсичностью. В результате, их использование было запрещено в некоторых странах. По сравнению с NiCd, батареи на основе Никель-Гидрид металлов (Ni-MH) (разработанных в 1970 г.) являются более дешевыми, имеют большую емкость, менее склонны к эффектам запоминания и являются менее токсичными. Тем не менее, они все-таки страдают от высоких скоростей разряжения и деструкции с течением времени.

Движимые необходимостью более экологически чистых альтернатив с большей мощностью, более длительным сроком службы и более низкими затратами, батареи на основе лития по новым технологиям, такие как литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer) батареи, получили широкое распространение за последние годы. В настоящее время батареи на основе лития можно найти во многих повседневных продуктах, таких как бытовая электроника (смартфоны, ноутбуки, фото- и видеокамеры), гибридных  электрических машинах и в электрических системах хранения.

Что такое батарея?

Батарея представляет собой электрохимическую ячейку, т.е. устройство генерирует электричество с помощью химических реакций. Типовая батарея состоит их 2-х электродов, катода (+) и анода (-), и электролита. Электроды являются электрическими проводниками и вступают в контакт с неметаллической частью цепи, которая обеспечивает циркуляцию заряда, электролита.

Одним из ключевых элементов в батареи является сепаратор. Это пористая мембрана, которая с одной стороны ведет себя как барьер между двумя электродами для предотвращения коротких замыканий, а с другой стороны позволяет переносить заряд (для замыкания цепи и поддерживания циркуляции тока).

Сепараторы, используемые в более ранних батареях, были сделаны из резины, целлюлозы, нейлона, целлофана или пластика.

Батареи на основе лития основаны на более сложных механизмах, чем традиционные батареи, для определения характеристик которых требуются специальные инструменты. В батареях на основе Li (Li-Ion, Li-Polymer), сепараторы выполняются на основе материалов, таких как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), сочетании из них, полиолефинов или ПВДФ, в частности. Эти материалы являются дешевыми и имеют хорошую химическую стабильность. В идеале они должны иметь диапазон размера пор от 30 до 100 нм, что позволяет циркулировать ионам лития в любом направлении. Ионы лития двигаются от анода к катоду во время разряжения и от катода к аноду во время зарядки. В тоже время сепаратор также себя ведет как защитный барьер в случае перегрева, плавления и блокировки поры в качестве функции безопасности.

Структура и свойства сепаратора являются очень важными, так как они влияют на активность батареи в значительной степени (энергетическая и удельная мощность, срок службы и безопасность). Вследствие этого, точное определение характеристик распределения размера пор и проницаемостью сепаратора является фундаментальной для понимания того, как он функционирует и для определения методов улучшения. В этом может помочь порометр POROLUX™ 1000.

Как может POROLUX™ помочь в понимании структуры батареи?

Порометры POROLUX™ 1000, основанные на методике газо-жидкостной порометрии, широко используются для измерения минимального, максимального (или первой точки пузырька)  и среднего размера пор, а так же распределения пор по размерам сквозных пор в материалах. Принцип измерения представляется собой вытеснение смачивающей жидкости из пор образца с помощью применения газового потока при повышающемся давлении. Давление используется, чтобы посчитать диаметр поры с помощью уравнения Юнга-Лапласа, P=4*γ*cos θ/D, где (Р) это давление, требуемое для вытеснения жидкости из поры, (γ) – поверхностное натяжение жидкости, (θ) – угол контакта и (D) – диаметр поры.

POROLUX™ 1000 является рекомендованной моделью для исследований и разработки. Он основывается на методе пошаговой стабилизации давления для определения размера пор: экспериментальные точки записываются только, когда алгоритмы стабильности (определяются пользователем) сходятся и для давления, и для потока. Это обязательное условие при анализе образцов со сложной пористой структурой, таких как сепараторы батарей, которые часто имеют смесь пор, где не все из них имеют одинаковую форму и/или длину и извилистость.

Например, давайте рассмотрим вытянутые поры одного диаметра, но одна из них является прямой порой (S) с длиной поры 1, а другая более извилистая пора (Т) с длиной поры 1.5.

Если мы измеряем эти поры с помощью порометра, который непрерывно поднимает давление (сканирующая система) и измеряем результирующий поток, то обе поры будут открыты при различном давлении (пора Т откроется позже, т.е. при большем давлении) и, следовательно, пора Т будет считаться порой с меньшим диаметром, чем пора  S. Напротив, в порометре с пошаговой стабилизацией давления пора S и пора Т откроются в разное время, но согласно алгоритмам стабилизации все еще при одном и том же давлении (порометр ждет пока поток при определенном давлении станет стабильным перед записью экспериментальной точки). Таким образом, пора S и пора Т будут показаны как поры одного диаметра.

Определение характеристик аккумуляторных сепараторов с помощью POROLUX™ 1000

Разные полимерные сепараторы батареи (из соображений конфиденциальности, мы будем ссылаться на образцы А и В соответственно) были охарактеризованы с помощью POROLUX™ 1000. Пластины, диаметром 25 мм и толщиной 20 мкм, были измерены, а качестве смачивающей жидкости использовали Порофил. Обзор по образцам и полученные результаты показаны в таблице ниже:

Мокрая, сухая и полу-сухая кривые материалов A и B

Мокрая, сухая и полу-сухая кривые материала B

Подробные характеристики порометра капиллярного потока POROLUX 1000