Séparateurs de batterie expliqués : comment ils gardent vos appareils en sécurité et efficaces

Nous connaissons tous les batteries. Nous nous habituons aussi à leur fonctionnement. Les batteries assurent que nos appareils portables (téléphones, ordinateurs portables, etc.) sont complètement chargés. Mais la plupart d'entre nous ne comprennent pas comment une batterie fonctionne. Vous n'avez pas à vous inquiéter, cependant. Cet article simplifie et explique tout ce que vous devez savoir sur les séparateurs de batterie.

Plongeons-nous.

Qu'est-ce exactement qu'un séparateur de batterie ?

Structure de batterie lithium-ion

Un séparateur de batterie est une membrane perméable entre son anode et sa cathode. Les deux sont les électrodes de la batterie.

Le séparateur maintient les deux électrodes séparées pour éviter un court-circuit électrique. L'anode est l'électrode positive, et la cathode est l'électrode négative.

Aussi, le séparateur est un composant critique. Il agit comme un passage pour les électrons vers et depuis la cathode ou l'anode. Le séparateur de batterie doit être poreux pour permettre le transport des ions lithium.

La performance et l'efficacité des batteries lithium-ion dépendent des propriétés et de la structure du séparateur.

Quelle est la fonction d'un séparateur de batterie ?

La fonction d'un séparateur de batterie est de garantir la sécurité en évitant les courts-circuits.

Mais ce n'est pas tout.

Le rôle principal d'un séparateur de batterie est de permettre le mouvement sûr des ions. C'est ce qui fait charger votre appareil électronique.

Le mouvement des électrons de l'anode vers la cathode se produit lorsque la batterie se charge. Et lorsque les électrons se déplacent dans le sens inverse, de la cathode vers l'anode, la batterie se décharge.

Quelle est la structure d'un séparateur de batterie ?

La structure concerne trois sections – la cathode, l'anode et un séparateur poreux. Simple, non ?

Regardons l'image ci-dessous.

Structure de cellules AA

Le mouvement des électrons provient soit de l'anode, soit de la cathode. La cathode est l'électrode négative, tandis que l'anode est l'électrode positive, selon que la batterie se charge ou se décharge.

Le séparateur est poreux pour permettre le mouvement des électrons. Pour l'efficacité, le séparateur consiste généralement en des membranes polymères qui forment des couches microporeuses.

Bien que les pores ne soient pas visibles à l'œil nu, ils permettent le mouvement des ions lithium.

Sans le séparateur, la fonctionnalité d'une batterie est nulle. Les films polyoléfines microporeux contrôlent la fuite d'ions lorsqu'une batterie auxiliaire est idéale (auto-décharge).

La couche microporeuse ne permet pas la conductivité électrique, agissant ainsi toujours comme un isolant.

La seule remarque est que la température affecte les performances des séparateurs. Si la température monte à un certain point, les pores se bouchent et s'arrêtent. Ainsi, cela stoppe le mouvement des ions lithium.

Quels matériaux composent les séparateurs commerciaux de batterie ?

Le matériau doit être un non-conducteur. Et doit avoir une grande stabilité thermique (expliquée plus loin dans cet article).

Les fabricants utilisent des grades spéciaux de polyoléfine pour produire des batteries lithium-ion rechargeables. Le matériau polyoléfine résulte du laminage de polyéthylène et de polypropylène ensemble.

La polyoléfine est préférée en raison de ses propriétés mécaniques, de sa stabilité chimique. Les entreprises préfèrent aussi la polyoléfine en raison de son faible coût.

L'image ci-dessous est un séparateur de batterie en polyoléfine, donc applicable dans les batteries rechargeables.

Source : Plasticstoday.com

En dehors de la polyoléfine, d'autres matériaux incluent :

• Chlorure de polyvinyle
• Couche céramique en nylon
• Polyester
• Amiante
• Verre et
• Tétrafluoroéthylène.

Procédé de fabrication d'un séparateur de batterie

Comme sa structure, le processus de production des séparateurs de batterie est simple. Le processus se fait par étirage ou traitement humide du matériau polyoléfine.

La procédure sèche implique l'utilisation d'une force mécanique pour créer les pores. Elle est adaptée aux densités de puissance plus élevées.

Le procédé humide implique l'ajout d'additifs au matériau film polyoléfine. C'est donc un processus chimique de création de pores.

Bien que simple, le procédé sec cause des pores de tailles différentes. Le résultat est une réduction de l'efficacité du séparateur. La procédure sèche affaiblit aussi le séparateur, minimisant ainsi sa résistance à la perforation.

Le procédé humide est un peu plus compliqué – et plus cher aussi. Heureusement, il crée des tailles de pores identiques pour le séparateur. Le résultat est une amélioration de la mouillabilité.

Note latérale – La mouillabilité est la capacité du séparateur de batterie à se « mouiller » avec ses solutions électrolytiques. Bien que le procédé humide soit efficace, il n'augmente pas la rétention d'électrolyte.

Quelles sont les propriétés d'un séparateur de batterie ?

La question aide à comprendre ce qui fait un bon séparateur de batterie auxiliaire. Le séparateur n'est pas seulement responsable de l'efficacité de la batterie mais aussi de la sécurité.

Nous comprenons le mieux les deux exigences (efficacité et sécurité) en examinant leurs différentes propriétés. Alors, allons-y.

Batterie lithium-ion

1. Stabilité chimique

Comme vous le savez déjà, un séparateur de batterie doit avoir des propriétés de non-conductivité. C'est-à-dire que le séparateur ne doit pas réagir avec les électrodes anode ou cathode.

Aussi, le séparateur doit rester chimiquement stable. Encore une fois, cela garantit que le séparateur ne réagit pas avec l'électrolyte liquide. Une telle stabilité aide la batterie à surmonter la dégradation.

2. Épaisseur et résistance mécanique

L'objectif est de développer une batterie fine sans perdre sa résistance mécanique. En d'autres termes, lorsqu'un séparateur de batterie Li-Ion est fin, cela aide à faciliter sa puissance et sa densité énergétique.

Dans cet esprit, les fabricants de batteries s'assurent que la batterie primaire a une résistance à la traction suffisante. Cela aide à prévenir l'étirement de la batterie, surtout pendant un processus d'enroulement.

3. Porosité et densité de pores

L'intention est que le séparateur ait une haute densité de pores. Cela retient les électrolytes et permet le libre mouvement des ions lithium entre les électrodes.

La porosité du séparateur ne doit pas être trop grande, ni trop petite. La taille des pores doit être suffisamment large pour se refermer lorsque la batterie s'arrête.

Nous mesurons la porosité d'un séparateur en pourcentage. La porosité moyenne est de 40 pour cent. Et oui, les pores doivent avoir une distribution uniforme.

4. Stabilité thermique

Le séparateur doit supporter et résister à une large gamme de températures. Il ne doit pas se courber ou se gondoler à des températures très élevées. Le séparateur doit s'arrêter à des températures inférieures au point de fusion du polymère avant l'emballement thermique (thermal runaway). En essence, c'est le processus de recuit.

Défis (et solutions) avec les séparateurs de batterie ?

D'accord, il y a des développements constants pour améliorer la performance des batteries Li-ion rechargeables. Mais cela se heurte à plusieurs défis.

La plupart de ces défis sont dus à des besoins émergents. Par exemple, il y a des besoins et exigences pour que les batteries supportent des températures élevées.

Aussi, il y a un besoin pour que les batteries durent longtemps sans compromettre leurs propriétés cellulaires.

Certains des défis auxquels fait face la fabrication de séparateurs de batterie incluent :

a) Le besoin de produire des séparateurs plus fins

b) D'augmenter la mouillabilité

c) L'intention d'améliorer la performance de la batterie à haute température

Permettez-moi d'expliquer ces défis plus en détail.

Le besoin de performance thermique stable est dû à l'invention des réseaux électriques et des voitures électriques. Les deux inventions nécessitent des batteries robustes capables de supporter des températures élevées.

Les fabricants améliorent la performance cellulaire en utilisant de nouveaux matériaux. Les stabilités thermiques sont meilleures que la polyoléfine.

Le besoin de mouillabilité améliorée est dû à l'incompatibilité de la polyoléfine. Le choix du polymère n'est pas compatible avec les matériaux électrolytiques courants.

Les nouveaux électrolytes conventionnels sont caractérisés par des constantes diélectriques élevées. Ce qui aide à raccourcir le processus de fabrication de la batterie.

En même temps, l'incompatibilité de la polyoléfine entraîne une distribution inégale du courant. Le résultat est une batterie primaire qui ne charge pas votre appareil électrique assez longtemps.

Enfin, il y a toujours une demande pour avoir des batteries plus fines. Comme prévu, c'est un défi. Les batteries ont besoin d'électrodes plus épaisses pour retenir plus de charge. Néanmoins, les entreprises développent des grades spéciaux de polyoléfine pour améliorer le poids moléculaire élevé de Li.

Y a-t-il des développements dans les batteries lithium-ion ?

Les fabricants brûlent l'huile de minuit pour améliorer la performance des séparateurs de batterie.

Les entreprises développent des moyens uniques (et potentiellement brevetés) pour améliorer la mouillabilité et la stabilité thermique. Regardons quelques améliorations jusqu'à présent.

Batterie lithium-ion

a) Décoration du séparateur avec des nanoparticules de silice

Le processus consiste à attacher des nanoparticules de silice aux pores et parois des pores des séparateurs. Le résultat attendu est une mouillabilité améliorée vis-à-vis de l'électrolyte de la batterie. La méthode améliore aussi la résistance à la chaleur de la batterie.

Alors que le matériau du séparateur augmente la résistance à la chaleur, les nanoparticules de silice augmentent la mouillabilité.

b) Utilisation du procédé d'inversion de phase pour produire de nouveaux PEI (polyetherimides)

Le processus implique l'utilisation de PD et BPADA pour produire des séparateurs. C'est utile car le séparateur de batterie a maintenant de meilleures propriétés. Par exemple, le séparateur peut gérer une large gamme de conductivités.

Les PEI aident aussi à minimiser le degré de gonflement de la batterie. Ainsi, cela résulte en un mouillage rapide de l'électrolyte.

Mieux encore, le séparateur de batterie affiche une stabilité thermique jusqu'à 220°C.

c) Réticulation induite par l'hydrogène (HHC)

La technique est une réticulation covalente d'un oxyde de polyéthylène sur un séparateur PP. L'effet est une augmentation de l'affinité électrolytique de la polyoléfine.

Avec une telle modification, les batteries Li-ion ont une haute rétention de capacité. Les batteries ont aussi une faible résistance interne.

Conclusion

Comme nous l'avons vu, un séparateur de batterie est une membrane perméable qui agit comme un isolant. Il sépare la cathode (électrode négative) de l'anode (électrode positive).

Le séparateur est un matériau vital car il détermine l'efficacité de la batterie. Avec un séparateur peu fiable, une batterie secondaire est d'une qualité tout aussi faible.

Les fabricants de batteries découvrent de nouvelles technologies de séparateurs pour améliorer leurs performances. Par exemple, de telles batteries secondaires sont applicables dans les PCB (circuits imprimés), disponibles chez WellPCB.