اجزای اساسی باتری شامل یک آند، کاتد و یک الکترولیت است. یکی دیگر از بخشهای مهم باتری که ما آن را مسلم می دانیم سپراتور یا جدا کننده باتری است. این جدا کننده ها نقش مهمی در تصمیم گیری عملکرد باتری ایفا می کنند، برای مثال میزان تخلیه خودکار و پایداری شیمیایی باتری بستگی زیادی به نوع جداکننده استفاده شده در باتری دارد.
در این مقاله، با جدا کننده های باتری، انواع آن و اهمیت عملکردی آنها در عملکرد یک باتری بیشتر آشنا می شویم. اگر کاملاً با باتری آشنا هستید، می توانید این مقاله مبانی باتری را بخوانید تا انواع مختلف باتری ها و اهمیت آنها را درک کنید.
جدا کننده باتری چیست؟
سپراتورها صفحات نازکی هستند که عایق الکتریسیته می باشند و از مواد متخلخل و پرمنفذ ساخته شده اند. جهت جلوگیری از ایجاد اتصال کوتاه در داخل خانه های باتری به عنوان عایق و جداکننده بین صفحات مورد استفاده قرار می گیرند.
سوراخ های بسیار ریز و منافذ ظریف سپراتورها سبب می شوند که جریان یونی (الکتریکی) در الکترولیت بین صفحات مثبت و منفی ایجاد گردد. برای آشنایی بیشتر با نقش سپراتورها در باتری خودرو با ما همراه باشید.
جدا کننده باتری غشای پلیمری است که بین آند با بار مثبت و کاتد با بار منفی قرار می گیرد تا از اتصال کوتاه الکتریکی جلوگیری شود. جدا کننده یک لایه ریز حفره است که توسط الکترولیت مرطوب می شود و به عنوان کاتالیزور حرکت یون ها را از یک الکترود به الکترود دیگر افزایش می دهد.
هنگامی که باتری در حال شارژ شدن است یونها از کاتد به آند حرکت می کنند و هنگامی که باتری تخلیه می شود یونها در جهت معکوس حرکت می کنند. جداکننده تعداد یونهایی را که بین ترمینال مثبت و منفی حرکت می کنند کنترل می کند و از این رو مسئول نشت یونها (خود تخلیه) در زمان ایده آل بودن باتری است. اگرچه یونها آزادانه از جداکننده عبور می کنند اما هدایت الکتریکی ندارد و همیشه به عنوان یک ایزوله کننده عمل می کند.
انواع سپراتورها
سپراتورها به دو گروه مختلف تقسیم می شوند و برهمین اساس به دو طریق در داخل باتریها نصب می شوند:
1- سپراتورهای ورقه ای (Leaf Construction)
2- سپراتورهای کیسه ای پاکتی (Envelope Construction)
سپراتورهای ورقه ای
سپراتورهای ورقه ای، برگ های یک لایه و مجزایی هستند که بین صفحات قرار می گیرند. این سپراتورها از «لاتکس» (Latex) اشباع شده، پشم شیشه، رزین اشباع شده، الیاف سلولز، پی وی سی فشرده، سیلیکا/ پلی اتیلن یا سیلیکا/ لاستیک، ساخته می شوند.
در باتری های معمولی و موتور سیکلتی اغلب از سپراتورهای سیلیکا/ پلی اتیلن یا سیلیکا/ لاستیک استفاده می شود زیرا برای جلوگیری از ایجاد ضایعات شاخه ای شکل بر روی سپراتورها، بایستی از سپراتورهایی که کمترین میزان منافذ را داشته باشند استفاده کرد.
برخی اوقات ممکن است شبکه ای از پشم شیشه را در کنار خطو ط برجسته سپراتور قرار دهیم تا از این طریق تحت شرایط نوسان و لرزش بیش از اندازه باتری، ایجاد ضایعات در مواد فعال را کند و آهسته نماییم.
سپراتورهای پاکتی
در باتری هایی که سپراتورهای کیسه ای / پاکتی در آنها مورد استفاده قرار می گیرد، عموما سپراتورهای پاکتی استفاده می شوند که اطراف آن درزگیری شده و قسمت بالایی و فوقانی آن باز است.
به این ترتیب این امکان را فراهم می سازد تا گازهای تولید شده توسط صفحه ها به طرف بالا متصاعد شوند و به سطح الکترولیت برسند. در صورت استفاده از این سپراتورها می توان پایه های صفحه ها و فضای خالی ته باتری را حذف نمود.
مواد تشکیل دهنده سپراتورهای پلاستیکی
سپراتورهای پاکتی از مواد پلاستیکی ساخته می شوند که دارای منافذ بسیار زیر و میکروسکوپی هستند و معمولا برای ساخت آها از سیلیکا استفاده می شود زیرا آنها به راحتی تازده و درزگیری می کنند.
روش سوم نصب و تعبیه عایق برای صفحات باتری (در باتری های استارتر که در آنها فرآیند ترکیب مجدد گاز یا به عبارتی «بار ترکیب گاز» صورت می پذیرد.
صفحات باتری را در بافتی شبکه ای شکل و از جنس میکروگلاس (Micro Glass) جاذب اسید می پیچند. در این روش صفحات مثبت یا منفی را در بافت مزبور می پیچند، اما آن را درزگیری نمی کنند. میکروگلاس ها الیاف بسیار نازک شیشه ای هستند که در بسیاری از صنایع و از جمله صنعت باتری سازی کاربرد دارند.
ویژگی ها و مشخصات سپراتور
- فاصله بندی (فاصله گذاری) متحدالکشل و یکنواخت صفحه ها
- مقاومت در برابر اکسیداسیون
- مقاومت الکتریکی پایین
- تخلخل
- توزیع و پراکندگی سوراخ ها و منافذ ریز
- ترشوندگی (wettability) و پخش خوب اسید
- عموما سپراتورها طوری تعبیه می شوند که خطوط برجسته روی آنها به طرف صفحه مثبت قرار می گیرد. به این ترتیب مقدار بیشتری از اسید برای صفحات مثبت مهیا گردد و از طرفی سطح تماس سپراتور به حداقل برسد.
- همچنین خطوط برجسته روی سپراتورها فضای لازم برای بهبود جریان و گردش اسید فراهم می آورند و سبب می گردند گازهای تشکیل شده به طرف سطح الکترولیت متصاعد شوند و بالا بروند.
برخی از سپراتورها دارای شکبه ای از الیاف شیشه (پشم شیشه) هستند که در کنار صفحه مثبت قرار می گیرند و به عنوان نگهدارنده مواد فعال کاربرد دارند. سپراتوری که دارای منافذ بسیار باشد، فضای زیادی را برای جریان و گردش اسید فراهم می کند.
تکامل جدا کننده های باتری
در روزهای اولیه، همه باتری ها مانند باتری های سرب اسید و نیکل-کادمیوم به عنوان باتری های آبدار یا سلول های مرطوب ساخته شده بودند که در آنها از محلول های الکترولیت مایع (اسیدهای باتری) استفاده می شد.
باتری های سیل زده هنگامی که بیش از حد شارژ می شوند گاز تولید می کنند، بنابراین برای بیرون راندن این گاز به دریچه ای نیاز بود. بعداً، در سال 1947، نیکل-کادمیوم مهر و موم شده تولید شد و در دهه 1970 باتری های سربی اسید بدون نگهداری معرفی شدند. در این طرحها، الکترولیتها به جدا کننده متخلخل که بر روی الکترودها فشرده شده است جذب می شوند تا بتوانند به واکنش شیمیایی مورد نیاز دست یابند.
در ابتدا جداکننده ها با چوب طراحی شدند، اما در الکترولیت خراب شدند. بعداً آنها از لاستیک، حصیر الیاف شیشه، سلولز و پلاستیک پلی اتیلن تشکیل شده بودند. باتری های مبتنی بر نیکل با لایه های متخلخل پلی الفین، جداکننده های نایلون یا سلفون ساخته شده اند، در حالی که جداکننده باتری اسید سربی مهر و موم شده از جداکننده ای به نام جدا کننده AGM ( تشک شیشه ای جذب شده) استفاده می کند که یک تشک الیاف شیشه ای است که در اسید سولفوریک به عنوان جدا کننده آغشته شده است.
باتری های سرب ژله ای اولیه که در دهه 70 توسعه یافت، الکترولیت های مایع را به یک خمیر نیمه جامد تبدیل می کند. باتری های ژل و AGM تنها کمی در عملکرد متفاوت هستند، باتری های ژل در UPS و باتری های AGM در برنامه های استارت و چرخه عمیق استفاده می شوند.
جداکننده باتری یون لیتیوم سلول ها از پلی اولفین ساخته شده آنها به عنوان یک ویژگی خوب مکانیکی، شیمیایی پایدار و در دسترس با هزینه کم است. پلی اولفین از پلی اتیلن، پلی پروپیلن و یا توسط لمینیت آنها را هر دو ایجاد شده است. مواد جدا کننده پلی الفین مورد استفاده در باتری لیتیوم در زیر نشان داده شده است.
در حال حاضر جداسازها از انواع مختلفی از مواد مانند پنبه، نایلون، پلی استر، شیشه، سرامیک، پلی وینیل کلراید، تترا فلورو اتیلن، لاستیک، آزبست و غیره ساخته می شوند.
جدا کننده باتری Li-ion-به عنوان فیوز عمل می کند
در شرایطی مانند افزایش دما، منافذ جداکننده با فرآیند ذوب بسته می شوند و باتری خاموش می شود. به عنوان مثال، جداکننده پلی اتیلن (PE)باتری را هنگامی که دمای هسته به 130درجه سانتی گرادمی رسد خاموش می کند، این فرایند حمل یون ها را بین الکترودها متوقف می کند. اگر باتری در دمای بالا خاموش نشود، گرما در سلول خراب افزایش می یابد و منجر بهفرار حرارتی میشود که باعث گرم شدن باتری و حتی آتش گرفتن می شود.
جداکننده به عنوان فیوز داخلی به باتری های لیتیوم یونی کمک می کند تا از طریق آزمایش حمل و نقل UN/DOT، که توسط سازمان ملل متحد (سازمان ملل متحد) برای حمل و نقل کالاهای خطرناک در سراسر جهان با وزارت حمل و نقل ایالات متحده (DOT) ارائه شده است، عبور کنند.
باتری های لیتیوم یون در دسته کالاهای خطرناک قرار می گیرند و در صورت عدم تست و بسته بندی مناسب می توانند خطرات ایمنی را به همراه داشته باشند. فرایند آزمایش شامل شبیه سازی ارتفاع به همراه حرارت، ارتعاش، ضربه، اتصال کوتاه خارجی، ضربه، شارژ بیش از حد و آزمایش های تخلیه اجباری است.
جدا کننده های چند لایه
بیشتر باتری هایی که در تلفن های همراه و تبلت ها استفاده می شد از یک لایه پلی اتیلن به عنوان جدا کننده استفاده می کردند. از دهه 2000 باتری های صنعتی بزرگ با استفاده از جدا کننده های سه لایه شروع به کار کردند که با استفاده از مواد پلی پروپیلن جداکننده قابلیت اطمینان جداساز را افزایش داده و در صورت افزایش دما در پیکربندی های چند سلولی خاموش شدن حرارتی را بهبود می بخشد.
به عنوان مثال، جداکننده سه لایه با مواد جداکننده باتری PE در بین دو لایه پلی پروپیلن – جدا کننده PP قرار دهید. لایه PE در دمای 130 درجه سانتیگراد ذوب می شود و منافذ جداکننده را می بندد تا جریان فعلی متوقف شود. لایه PP جامد باقی می ماند زیرا دمای ذوب آن 155 درجه سانتی گراد است.
بعداً در سال 2008، جداکننده ها با افزودن یک لایه جداکننده با روکش سرامیک بهبود یافتند . این پوشش دمای بالا را بدون ذوب شدن تحمل می کند، بنابراین سطح ایمنی بیشتری را تضمین می کند. پوشش سرامیکی به خوبی با لایه های PE و PP کار می کند و در نزدیکی قسمت مثبت قرار می گیرد.
آخرین روند جداسازی باتری شامل استفاده از غشای پلی اتیلن اصلاح شده با اتیل سلولز است که بین دو لایه غشای Polyimide دوپه شده با نانوذرات SiO2 قرار گرفته است. این غشای سه لایه جدید در باتری های لیتیوم یونی با کارایی بالا استفاده می شود که هم به عملکرد خاموش شدن حرارتی در دمای پایین و هم به عملکرد حرارتی در دمای بالا نیاز دارد.
پلی ایمید نانوذرات SiO2 برای انتقال جداکننده با پایداری حرارتی بالا و عملکرد فرار در دمای بالا استفاده می شود در حالی که تک لایه غشای پلی اتیلن اصلاح شده با اتیل سلولز ویژگی مکانیکی بالایی را همراه با عملکرد خاموش شدن در دمای پایین ارائه می دهد.
ویژگی های یک جدا کننده خوب باتری
سپراتور خوب باتری باید دارای ویژگی زیر باشد:
- پایداری شیمیایی: مواد جداکننده نباید هیچ واکنشی با الکترود یا الکترولیت داشته باشند، آنها باید از نظر شیمیایی پایدار بوده و نباید خراب شوند.
- ضخامت و استحکام: جداکننده باتری باید به اندازه کافی نازک باشد تا تراکم انرژی و توان باتری را تسهیل کند و همچنین باید از استحکام کششی کافی برای جلوگیری از کشش در طول فرآیند سیم پیچ برخوردار باشد. ضخامت استاندارد جداکننده 25. 4میکرومتر است، اما با پیشرفت تکنولوژی ضخامت جداکننده ها بدون آسیب رساندن به خواص سلول به 20μm، 16μm و حتی 12μm کاهش یافت.
- تخلخل و اندازه منافذ: جداکننده باید دارای چگالی حفره ای باشد که بتواند الکترولیت را در خود نگه دارد و همچنین به یون اجازه می دهد بین الکترودها حرکت کند. اگر تخلخل بزرگتر باشد، هنگام خاموش شدن باتری بستن منافذ سخت می شود. تخلخل معمولی جدا کننده باتری لیتیوم یون 40 است. اندازه منافذ باید کوچکتر از اندازه ذرات اجزای الکترود باشد و منافذ باید به طور یکنواخت در یک ساختار پیچ خورده توزیع شوند.
- پایداری حرارتی و خاموش شدن: جداکننده باید برای طیف وسیعی از دماها بدون پیچ خوردن یا جمع شدن پایدار باشد و باید بتواند در دمای کمی پایین تر از دمای محل فرار حرارتی خاموش شود.
تولید سپراتور باتری خودرو در ایران
باتری به‌عنوان قطعه‌ای که امکان تولید صد درصدی آن در کشور وجود دارد، نیازمند حمایت و توجه وزارت صمت به‌منظور دستیابی به بازارهای صادراتی است.
سپراتور یا عایق جداکننده صفحات مثبت و منفی در باتری خودرو جزو قطعاتی است که نقش کلیدی در عملکرد و دوام باتری طی سیکل‌های شارژ و دشارژ آن دارد. قطعه‌ای که وارداتی است و نبود آن می‌تواند تولید یک شرکت باتری‌سازی را به‌طور کلی متوقف کند. درحال حاضر بیش از ۹۰ درصد قطعات تولید باتری در داخل تولید میشود؛ اما عدم وجود این قطعه برای باتری‌سازان مشکل‌ساز خواهد بود. از این نظر لزوم داخلی‌سازی این محصول در بحث داخلی‌سازی قطعات به‌شدت احساس میشود.
درهمین زمینه مهدی کامکار، دبیر انجمن تولیدکنندگان باتری در کشور به «دنیای خودرو» می‌گوید: «کل تولیدکنندگان باتری خودرو در کشور در سال حدودا ۱۰ میلیون عدد باتری تولید می‌کنند و هر عدد نیز به یک‌متر و ۱۰ سانتی‌متر سپراتور نیاز دارد. وظیفه سپراتور نیز عایق صفحات مثبت و منفی باتری به‌منظور جلوگیری از اتصال کوتاه است. همچنین این سپراتورها سبب فعل و انفعالات یونیزه می‌شوند و اسید نیز روی آن تاثیری ندارد. »
وی درخصوص کشورهای تولیدکننده سپراتور اظهار می‌کند: «درحال حاضر کشورهایی مانند فرانسه، بلژیک، کره و چین این محصول را تولید می‌کنند. »
دبیر انجمن تولیدکنندگان باتری کشور با بیان اینکه در داخل کشور نیز چند شرکت دانش‌بنیان کارهای مطالعاتی را روی این قطعه انجام داده‌اند، می‌افزاید: «با وجود اقدامات صورت‌گرفته، اما هنوز این شرکت‌ها به‌نتیجه مطلوبی نرسیده‌اند. چرا که پتروشیمی‌ها باید ماده اولیه بخصوصی را در اختیار این شرکت‌ها قرار دهند؛ اما هنوز آنها نیز نتوانسته‌اند این ماده را تامین کنند. »
مهدی کامکار با اشاره به بحث سرمایه‌گذاری در تولید این محصول می‌گوید: «از طرف انجمن با چند شرکت صحبت کرده‌ایم و خرید تضمینی این محصول را پیشنهاد داده‌ایم و تنها بحث سرمایه‌گذاری باقی مانده است. با معاونت فناوری ریاست‌جمهوری نیز صحبت‌هایی داشته‌ایم و آنها با توجه به‌اینکه این طرح یک طرح دانش‌بنیان است، از آن استقبال کرده و آمادگی خود را برای پرداخت هزینه‌های تحقیقاتی این اقدام اعلام کرده‌اند. »
دبیر انجمن تولیدکنندگان باتری در کشور با بیان اینکه یک شرکت ادعای تولید این محصول را دارد، تاکید می‌کند: «هرچند این شرکت ادعای تولید دارد، اما هنوز نتوانسته از شرکت‌هایی مانند صباباتری و دیگر شرکت‌ها گواهی کیفیت دریافت کند. چرا که سپراتور یک قطعه بسیار حساس است و اگر جوابگو نباشد، باتری به‌طور کامل اسقاط میشود. »
وی درخصوص قیمت این قطعه نیز اظهار می‌کند: «قیمت هر متر سپراتور حدود یک دلار است و درصورتی که بتوان این محصول را در داخل تولید کرد، با توجه به‌اینکه کشورهای کمی علم تولید آن را در اختیار دارند، امکان صادرات آن نیز وجود دارد. »
به‌نظر می‌رسد با توجه به‌تولید ۱۰ میلیون عدد باتری در سال و نیاز هر باتری به یک متر سپراتور یک دلاری، با تولید این قطعه در داخل می‌توان سالانه از خروج رقم قابل توجهی ارز جلوگیری کرد و احتمالا تولید باتری نیز برای تولیدکنندگان تا حدی ارزان‌تر تمام میشود.
همچنین بخوانید: مراحل خط تولید و مونتاژ باتری خودرو چگونه است؟
چگونه ساختار و ضخامت سپراتور در باتری‌های سرب-اسید یا لیتیوم-یون می‌تواند بر نرخ تخلیه، دما و ایمنی باتری تأثیر بگذارد، و چه روش‌هایی برای بهینه‌سازی ویژگی‌های مکانیکی و الکتریکی سپراتور جهت کاهش خطرات مانند گازگیری یا وقوع نشست‌ها وجود دارد؟
با سلام
ساختار و ضخامت سپراتور (جداکننده) در باتری‌های سرب-اسید یا لیتیوم-یون نقش بسیار مهمی در عملکرد کلی باتری، ایمنی، نرخ تخلیه، و دما دارند. در اینجا به بررسی تأثیرات این عوامل و روش‌های بهینه‌سازی سپراتور می‌پردازیم:
1. تأثیر ساختار و ضخامت سپراتور بر نرخ تخلیه
– سپراتور نازک‌تر:
– مزایا: سپراتور نازک‌تر می‌تواند مقاومت کمتری در برابر عبور یونها داشته باشد، که این باعث افزایش کارایی باتری و نرخ تخلیه بالاتر میشود. این امر به ویژه در باتری‌های لیتیوم-یون مهم است، زیرا این باتریها به سرعت بالایی در تخلیه و شارژ نیاز دارند.
– معایب: اما اگر ضخامت سپراتور خیلی کم باشد، ممکن است خطر اتصال کوتاه داخلی و نشت مواد شیمیایی افزایش یابد که ایمنی باتری را تهدید می‌کند.
– سپراتور ضخیم‌تر:
– مزایا: سپراتور ضخیم‌تر می‌تواند مانع بهتری برای جلوگیری از تماس بین الکترود مثبت و منفی باشد، که به افزایش ایمنی باتری کمک می‌کند.
– معایب: از طرف دیگر، ضخامت بیشتر می‌تواند مقاومت داخلی باتری را افزایش دهد، که منجر به کاهش نرخ تخلیه و کاهش ظرفیت باتری میشود.
2. تأثیر ساختار و ضخامت سپراتور بر دما
– نقش انتقال حرارت: سپراتورها باید قادر به انتقال حرارت به صورت مؤثر باشند تا از افزایش دما در هنگام شارژ و تخلیه جلوگیری کنند. اگر سپراتور دارای ساختاری با قابلیت هدایت حرارتی مناسب باشد، می‌تواند به کاهش دما و جلوگیری از گرم شدن بیش از حد باتری کمک کند.
– تهدید دمای بالا: در صورتی که سپراتور بسیار ضخیم یا غیر قابل نفوذ باشد، ممکن است مانع از dissipating حرارت شود، که این می‌تواند منجر به گرم شدن بیش از حد و آسیب به اجزای داخلی باتری گردد. گرم شدن زیاد ممکن است به گازگیری (در باتری‌های سرب-اسید) و یا اتصال کوتاه داخلی منجر شود.
3. تأثیر ساختار و ضخامت سپراتور بر ایمنی باتری
– ایمنی در برابر اتصال کوتاه: یکی از وظایف اصلی سپراتور جلوگیری از تماس فیزیکی بین الکترودهای مثبت و منفی است. اگر سپراتور آسیب ببیند یا ضخامت آن خیلی کم باشد، امکان اتصال کوتاه داخلی وجود دارد که می‌تواند منجر به خطر آتش‌سوزی یا انفجار شود.
– گازگیری و انفجار: در باتری‌های سرب-اسید، در صورت تخلیه بیش از حد یا شارژ سریع، گاز هیدروژن تولید میشود. اگر سپراتور نتواند از تراکم گاز جلوگیری کند یا مسیر مناسبی برای خروج گاز فراهم نکند، ممکن است فشار به حدی برسد که باتری منفجر شود. طراحی سپراتور با ویژگی‌های مناسب برای جذب گاز و عبور آن از سطح باتری می‌تواند ایمنی باتری را ارتقا دهد.
4. روش‌های بهینه‌سازی ویژگی‌های مکانیکی و الکتریکی سپراتور
برای بهینه‌سازی سپراتور به منظور کاهش خطرات مانند گازگیری، نشست‌ها و اتصال کوتاه، روش‌های مختلفی وجود دارد:
– استفاده از مواد نوین:
– سپراتورهای سرامیکی: استفاده از مواد سرامیکی یا نانوکامپوزیتی در ساختار سپراتور می‌تواند عملکرد آن را در برابر حرارت و خوردگی افزایش دهد. این مواد علاوه بر داشتن مقاومت حرارتی بالا، باعث بهبود هدایت الکتریکی و افزایش طول عمر باتری می‌شوند.
– سپراتورهای نانویی: مواد نانویی به دلیل داشتن خواص فیزیکی منحصر به فرد می‌توانند مقاومت مکانیکی بیشتری ارائه دهند، در حالی که در عین حال به راحتی یونها را منتقل می‌کنند.
– استفاده از پوشش‌های پیشرفته:
– استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر حرارت و آب‌گریز می‌تواند به جلوگیری از نفوذ رطوبت به سپراتور کمک کند، که این کار به بهبود عملکرد باتری و کاهش خطرات ناشی از نشست‌ها و گازگیری کمک می‌کند.
– بهینه‌سازی ضخامت:
– تنظیم ضخامت سپراتور بر اساس نیازهای خاص باتری، به خصوص در شرایط دمایی مختلف و نرخ تخلیه بالا، می‌تواند باعث افزایش ایمنی و در عین حال حفظ عملکرد بهینه شود. استفاده از سپراتورهایی با ضخامت متغیر در قسمت‌های مختلف باتری می‌تواند به این امر کمک کند.
– طراحی چند لایه:
– استفاده از سپراتورهای چند لایه که شامل لایه‌های سرامیکی و پلیمری باشد، می‌تواند مقاومت مکانیکی و هدایت الکتریکی را همزمان بهینه کند و از خطرات اتصال کوتاه داخلی و گرم شدن بیش از حد جلوگیری کند.
5. بررسی و ارزیابی کیفیت سپراتور
– آزمون‌های مکانیکی: انجام تست‌هایی مانند کشش و آزمون مقاومت به فشار بر روی سپراتور می‌تواند به ارزیابی استحکام آن در برابر آسیب‌های احتمالی کمک کند.
– آزمون‌های الکتریکی: تست‌هایی مانند آزمون مقاومت الکتریکی و ظرفیت عبور یونها به منظور اطمینان از بهینه بودن عملکرد الکتریکی سپراتور ضروری است.
در نتیجه سپراتور در باتری‌های سرب-اسید و لیتیوم-یون نقشی حیاتی در تأثیرگذاری بر عملکرد، ایمنی، و عمر باتری دارد. انتخاب مواد، ضخامت مناسب و طراحی مناسب برای انتقال یونها و حرارت، باید به‌طور دقیق انجام شود. استفاده از مواد پیشرفته و فناوری‌های نوین، مانند سپراتورهای نانویی یا سرامیکی، می‌تواند به بهینه‌سازی عملکرد و ایمنی باتریها کمک کرده و خطرات مانند اتصال کوتاه، گازگیری، و افزایش دما را کاهش دهد.
کیان باتری بزرگترین استارتآپ تخصصی باتری خودرو در کشور است که به صورت شبانه روزی به حمل و نصب رایگان باتری خودرو در محل مشتری می پردازد. ما در این مجموعه سعی کرده ایم بهترین محصولات تولیدی داخل کشور را از هر تولیدکننده جمع آوری نموده و با ارائه یک سبد فروش متنوع، به صورت همزمان در اختیار مشتریان خود قرار دهیم. شما می توانید جهت کسب اطلاعات بیشتر به صورت شبانه روزی با کارشناسان فروش مجموعه کیان باتری به شماره تلفن 88882222-021 تماس حاصل نموده، سوالات خود را مطرح کنید و مشاوره دریافت نمایید.
سلام و سپاس بابت اطاعات بسیار عالی که در اختیار من گذاشتید. لطفا اگر مقدور بود به این سوال من هم پاسخ بدهید: چه ویژگی‌ها و مواد خاصی باید در طراحی سپراتور باتری‌های لیتیوم-یون در نظر گرفته شوند تا از افزایش دما، اتصال کوتاه داخلی و کاهش ظرفیت باتری جلوگیری شود، و چگونه می‌توان با استفاده از تکنولوژی‌های نوین مانند سپراتورهای سرامیکی یا نانوکامپوزیتی، عملکرد باتری و عمر مفید آن را بهینه‌سازی کرد؟
با سلام
در طراحی سپراتور (جداکننده) باتری‌های لیتیوم-یون، ویژگی‌ها و مواد خاصی باید در نظر گرفته شوند تا از مشکلاتی مانند افزایش دما، اتصال کوتاه داخلی و کاهش ظرفیت باتری جلوگیری شود. سپراتورها نقش حیاتی در ایمنی، عملکرد و دوام باتری‌های لیتیوم-یون ایفا می‌کنند و بهینه‌سازی آنها می‌تواند به افزایش کارایی و عمر باتری کمک کند. در اینجا ویژگی‌ها و مواد مورد نیاز برای طراحی یک سپراتور باتری لیتیوم-یون به همراه تکنولوژی‌های نوین مانند سپراتورهای سرامیکی و نانوکامپوزیتی برای بهینه‌سازی عملکرد و عمر باتری آمده است.
1. ویژگی‌های کلیدی سپراتور در باتری‌های لیتیوم-یون:
الف) خصوصیات حرارتی و دمایی
– پایداری حرارتی: سپراتور باید قادر باشد دمای بالا را تحمل کند و از ذوب شدن یا تغییر شکل آن جلوگیری کند. در صورت بالا رفتن دمای باتری، سپراتور باید توانایی حفظ جدایی بین الکترودها را داشته باشد تا از اتصال کوتاه داخلی جلوگیری کند.
– محدوده دمای عملیاتی: سپراتور باید در دمای‌های پایین و بالا عملکرد بهینه‌ای داشته باشد. برای این منظور، مواد سپراتور باید مقاومت به دمای بالا (معمولاً بین 60 تا 100 درجه سانتیگراد) داشته باشند.
ب) نفوذپذیری و نفوذپذیری یونها
– نفوذپذیری یونها: یکی از ویژگی‌های اصلی سپراتور، قابلیت عبور یون‌های لیتیم است. سپراتور باید ساختاری داشته باشد که بتواند جریان یونها را بدون مقاومت زیاد تسهیل کند تا باتری توانایی ارائه انرژی بالاتر و عملکرد بهینه‌تر داشته باشد.
– مقاومت الکتریکی پایین: سپراتور باید مقاومت الکتریکی کمی داشته باشد تا از ایجاد حرارت اضافی و افت ظرفیت جلوگیری کند.
ج) استحکام مکانیکی و مقاومت به پارگی
– سپراتور باید از نظر مکانیکی محکم باشد تا در برابر فشارهای فیزیکی و حرکت‌های داخلی باتری (مانند انبساط و انقباض هنگام شارژ و دشارژ) مقاوم باشد. این ویژگی از پارگی یا آسیب دیدن سپراتور جلوگیری کرده و از ایجاد اتصال کوتاه داخلی جلوگیری می‌کند.
د) جلوگیری از اتصال کوتاه داخلی
– پایداری در برابر سوراخ شدن و آسیب دیدن: سپراتور باید در برابر آسیب‌های فیزیکی مقاوم باشد. در صورتی که سپراتور آسیب ببیند یا سوراخ شود، احتمال اتصال کوتاه داخلی و خطرات ایمنی افزایش می‌یابد.
ه) خصوصیات شیمیایی
– مقاومت به خوردگی: مواد سپراتور باید در برابر مواد شیمیایی موجود در باتری، مانند الکترولیتها، مقاوم باشند. مواد نا‌مقاوم ممکن است موجب تغییر در خصوصیات الکتروشیمیایی باتری و کاهش عمر آن شوند.
2. مواد مورد استفاده در طراحی سپراتورهای باتری‌های لیتیوم-یون:
الف) پلی‌اتیلن (PE) و پلی‌پروپیلن (PP)
– این مواد برای ساخت سپراتورهای سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد پلی‌اولفینی دارای ویژگی‌هایی نظیر مقاومت حرارتی خوب، انعطاف‌پذیری و هزینه پایین هستند.
– پلی‌اتیلن برای تحمل دماهای پایین و پلی‌پروپیلن برای دماهای بالاتر مناسب‌تر است.
ب) مواد سرامیکی
– سپراتورهای سرامیکی: یکی از نوآوری‌های اخیر در طراحی سپراتورها استفاده از مواد سرامیکی است. این مواد به‌ویژه در سپراتورهای با پوشش سرامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. سرامیک‌ها دارای ویژگی‌هایی مانند مقاومت به حرارت بالا و دوام طولانی‌تر هستند.
– مزایای سپراتورهای سرامیکی: این نوع سپراتورها از آنجا که پوشش سرامیکی دارند، می‌توانند از دمای بالاتر در مقایسه با پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن مقاومت کنند و مانع از ذوب شدن سپراتور در دماهای بالا شوند. همچنین، مقاومت بیشتری در برابر شکست مکانیکی دارند.
ج) مواد نانوکامپوزیتی
– سپراتورهای نانوکامپوزیتی: ترکیب مواد نانو با مواد پلیمری (مانند پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن) به تولید سپراتورهایی با ویژگی‌های بهبود یافته منجر شده است. نانوذرات مانند اکسیدهای فلزی، نانوذرات سیلیکون، یا نانوذرات کربن می‌توانند خواص مکانیکی و حرارتی سپراتور را بهبود بخشند.
– مزایای نانوکامپوزیت‌ها:
– افزایش هدایت حرارتی: نانوذرات می‌توانند هدایت حرارتی سپراتور را افزایش دهند و از تجمع گرما در باتری جلوگیری کنند.
– استحکام مکانیکی بالا: افزودن نانوذرات موجب افزایش استحکام و انعطاف‌پذیری میشود.
– بهبود پایداری شیمیایی: نانوکامپوزیت‌ها مقاومت به خوردگی و آسیب شیمیایی را افزایش می‌دهند.
د) مواد فایبرگلاس (Fiberglass)
– مواد فایبرگلاس به عنوان پوشش خارجی برای افزایش استحکام مکانیکی و مقاومت به دما در برخی از سپراتورها استفاده میشود. این مواد می‌توانند از ذوب شدن یا گسیختگی سپراتور در دماهای بالا جلوگیری کنند.
3. بهینه‌سازی عملکرد و عمر مفید باتری با استفاده از تکنولوژی‌های نوین:
الف) سپراتورهای سرامیکی
– پوشش‌های سرامیکی می‌توانند به‌ویژه در دماهای بالا از ذوب شدن سپراتور جلوگیری کنند و همچنین از اتصال کوتاه داخلی ناشی از حرکت ذرات فلزی در الکترودها جلوگیری کنند.
– این مواد همچنین می‌توانند به بهبود پایداری شیمیایی و طول عمر باتری کمک کنند. همچنین پوشش سرامیکی می‌تواند موجب کاهش سایش و آسیب‌های مکانیکی در هنگام شارژ و دشارژ شود.
ب) سپراتورهای نانوکامپوزیتی
– افزایش هدایت حرارتی: نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند با بهبود هدایت حرارتی باتری از افزایش دما جلوگیری کنند و عمر باتری را افزایش دهند.
– افزایش مقاومت در برابر خوردگی: با استفاده از نانوذرات خاص، می‌توان مقاومت شیمیایی سپراتور را افزایش داد و از آسیب به سپراتور و کاهش ظرفیت باتری جلوگیری کرد.
– کارایی در دماهای بالا: مواد نانوکامپوزیتی قادر به حفظ عملکرد در دماهای بالا هستند، که این امر به جلوگیری از آتش‌سوزی یا نشت مواد شیمیایی باتری کمک می‌کند.
ج) پوشش‌های نانوذراتی برای کاهش خوردگی
– پوشش‌های نانوذراتی مانند نانوذرات اکسید فلزی، می‌توانند به‌طور مؤثر خوردگی سپراتور را کاهش دهند و در نتیجه عملکرد باتری را افزایش دهند. این پوشش‌ها علاوه بر مقاومت به خوردگی، ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی بهتری را ارائه می‌دهند.
در نتیجه برای بهینه‌سازی عملکرد و عمر باتری‌های لیتیوم-یون، طراحی سپراتور باید ویژگی‌های خاصی نظیر پایداری حرارتی، مقاومت مکانیکی، نفوذپذیری یونها و مقاومت به خوردگی را دارا باشد. استفاده از تکنولوژی‌های نوین مانند سپراتورهای سرامیکی و نانوکامپوزیتی می‌تواند بهبودهای قابل توجهی در عملکرد و ایمنی باتریها به همراه داشته باشد. این نوآوری‌ها می‌توانند به کاهش خطرات مرتبط با افزایش دما، اتصال کوتاه داخلی و کاهش ظرفیت باتری کمک کنند و عمر مفید باتریها را به‌طور چشمگیری افزایش دهند.
شما می توانید جهت کسب اطلاعات بیشتر به صورت شبانه روزی با کارشناسان فروش مجموعه کیان باتری به شماره تلفن 88882222-021 تماس حاصل نموده، سوالات خود را مطرح کنید و مشاوره دریافت نمایید.