リチウムイオン電池セパレータ膜-定義、機能、および開発

前書き

リチウムイオン電池は、携帯型電子機器の主な選択肢となっています。それらは、軍事、電気自動車、および航空宇宙の分野で人気があります。リチウムイオン電池は、さまざまなセパレーター膜が特徴です。これらの膜は、使用されている電解質の性質によって異なります。これらのバッテリーは、高密度のエネルギーと高い比出力を備えています。これらの利点は、他の電気化学的エネルギー貯蔵からは利用できません。バッテリーの動作には、充電と放電が含まれます。

バッテリーの3つの主要コンポーネントは、アノード、カソード、電解質です。電解液は電子セパレーターとして機能します。それは、溶媒、塩、分離器、または固体イオン伝導膜であり得る。液体電解質を使用する場合は、2つの電極を分離するための膜が必要です。電解質が膜を通って流れることができるように、膜は多孔性でなければなりません。高分子ゲル電解質は、リチウムイオン電池で使用される一般的なタイプの膜です。この膜は、正極と負極が互いに接触するのを防ぎ、回路を完成させるための高速イオン輸送も提供します。

リチウムイオン電池セパレーター膜とは？

これは、バッテリーのアノードとカソードの間に配置される透過膜です。これらの膜は、電気化学電池を含む液体では非常に重要です。セパレーターは高分子膜で構成されています。それは微孔性層を形成し、電解質に関して化学的に安定しています。このメンブレンは、バッテリー構築中の高張力に耐えるのに十分な機械的強度を備えている必要があります。これらの膜には、バッテリーの性能と作業効率に直接影響する特定の特性があります。それらは、エネルギー密度、電力密度、サイクル寿命、およびバッテリーの安全性に影響を与える可能性があります。

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膜を作るために使用される材料は、不織布繊維、ポリマーフィルム、または任意の天然に存在する物質であり得る。液膜は、微孔性セパレーター内の固相と液相で構成されています。固体イオン伝導体は、電解質だけでなくセパレーターの役割も果たします。これらのセパレーターは、単一または複数の材料シートであり得る。これらの膜は、有機および無機材料から製造されています。それらはまた、バッテリーの電力密度を高める乾式プロセスによって作られています。リチウムイオン電池に使用されている膜のいくつかを以下に示します。

固体高分子膜

高分子電解質は固体で乾燥しており、有機液体は含まれていません。ポリエチレンオキシドが主に使用されます。リチウム塩をポリエチレンオキシドに溶解して導体を形成することにより形成されます。

微孔性セパレーター

この膜は液体電解質電池に使用されています。膜はカソードとアノードの接触を防ぎ、自由なイオン輸送を可能にします。セパレーターの存在は、電解質の実効導電率を低下させ、セルインピーダンスの値を高める可能性があります。より薄いセパレーターは、イオン伝導率を高めるために使用されます。

不織布フィルム

テキスタイルの繊維から加工されています。電解質の吸光度を高め、イオン抵抗を低くします。バッテリーの充電と放電の効率を高めます。それらは軽量で多孔質です。これらの特性により、セパレーターとしての使用に最適です。

リチウムイオン電池セパレーターの機能は何ですか？

セパレータ膜は電解質で湿らされており、充電時にカソードからアノードへ、放電の場合は逆方向へのイオンの移動を加速する触媒を形成します。セパレータは、導電性の低い絶縁体として機能します。自己放電と呼ばれる非常に少量の電流がこのセパレータを通過します。セパレータは、アノードとカソードの間のバリアであり、リチウムイオンの交換を可能にします。電解質を多孔質セパレーターに吸収させて化学反応を起こすことができます。セパレーターと電極の配置は、バッテリーに機械的サポートを提供します。それらはバッテリーに化学的安定性を提供します。

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バッテリーが過度に熱くなると、セパレーターの細孔が閉じられ、イオンの輸送が停止します。これにより、セルの燃焼が防止されます。バッテリーの内部安全ヒューズとして機能します。セラミックコーティングされた材料は、溶けないためセパレーターとして使用され、これによりバッテリーの安全性がさらに高まります。多層セパレーターでは、層の相転移温度が異なります。融点の低い成分が溶けて他の成分の細孔を埋め、イオンの流れを止めます。セルの温度が上昇するにつれて電流が減少します。セパレーターはまた、並外れた機械的特性を備えた親水性を示します。

リチウムイオン電池セパレータ膜の最近の開発は何ですか？

科学技術は、現代において果たすべき極めて重要な役割を担っています。新しい技術は、リチウムイオン電池の容量を強化するように設計されています。大容量のアノードとカソードが開発されています。リチウムイオンセパレーターの進歩により、バッテリーの安全性がさらに高まります。電池に使用される膜セパレーターに関しては、対処すべき多くの課題があります。ポリマーの表面が電池の効率と安全性に大きく影響するため、セパレーターの変更は近年増加しています。

フィラーを添加すると、イオン伝導性によりバッテリーの性能が向上します。この目的のために、不活性酸化物セラミック、炭素材料、およびリチウムフィラーが使用されます。膜セパレーター内の天然および導電性ポリマーに基づく新しいブレンドも使用されています。将来の需要は、気孔率が50％を超えるポリマーを入手することです。電解質としてのイオン液体の使用も検討されています。見通しは、機械的安定性を得て、バッテリーのサイクル性能を改善するために、ポリマーマトリックスとフィラーの品質を向上させることに焦点を当てています。ゲルポリマー電解質としてメチルセルロースを使用した複合セパレーターが開発されています。これにより、優れた機械的および熱的プロセスを実行する環境に優しいセパレーターが可能になります。ゼオライトや粘土もフィラーとして使用することを検討しています。リチウムイオン電池の電池セパレータは、電池の高出力と効率的なサイクル性能に関連するすべての特性に影響を与えます。