Separadores de Bateria Explicados: Como Mantêm Seus Dispositivos Seguros e Eficientes

Todos sabemos sobre baterias. Também nos acostumamos a como funcionam. Baterias garantem que nossos eletrônicos portáteis (celulares, laptops, etc.) estejam com carga total. Mas, a maioria de nós não entende como uma bateria funciona. Não precisa se preocupar. Este artigo simplifica e explica tudo que você precisa saber sobre separadores de bateria.

Vamos mergulhar.

O Que Exatamente É Um Separador de Bateria?

Estrutura de Bateria de Íon-Lítio

Um separador de bateria é uma membrana permeável entre seu ânodo e cátodo. Os dois são os eletrodos da bateria.

O separador mantém ambos os eletrodos separados para evitar curto-circuito elétrico. O ânodo é o eletrodo positivo, e o cátodo é o eletrodo negativo.

Também, o separador é um componente crítico. Atua como passagem de elétrons para e do cátodo ou ânodo. O separador de bateria deve ser poroso para permitir transporte dos íons de lítio.

O desempenho e eficiência de baterias de íon-lítio dependem das propriedades e estrutura do separador.

Qual É a Função de um Separador de Bateria?

A função de um separador de bateria é garantir segurança evitando curto-circuito.

Mas não é só isso.

O papel principal de um separador de bateria é permitir o movimento seguro de íons. É isso que faz a bateria carregar seu dispositivo eletrônico.

O movimento de elétrons do ânodo para o cátodo acontece quando a bateria está carregando. E quando os elétrons se movem no sentido inverso, do cátodo para o ânodo, a bateria está descarregando.

Qual é a Estrutura de um Separador de Bateria?

A estrutura gira em torno de três seções – o cátodo, o ânodo e um separador poroso. Simples, certo?

Vamos olhar a imagem abaixo.

Estrutura de Células AA

O movimento de elétrons é a partir dos eletrodos ânodo ou cátodo. O cátodo é o eletrodo negativo, enquanto o ânodo é o positivo, dependendo dos papéis de carga ou descarga da bateria.

O separador é poroso para permitir movimento de elétrons. Para eficiência, o separador geralmente consiste em membranas poliméricas que formam camadas micro-porosas.

Embora os poros não sejam visíveis ao olho humano, permitem movimento dos íons de lítio.

Sem o separador, a funcionalidade de uma bateria é nula. Os filmes poliolefínicos microporosos controlam o vazamento de íons quando uma bateria auxiliar é ideal (auto-descarga).

A camada microporosa não permite condutividade elétrica, atuando sempre como isolante.

A única observação é que a temperatura afeta o desempenho dos separadores. Se a temperatura sobe a certo ponto, os poros fecham e desligam. Portanto, para o movimento dos íons de lítio.

Quais Materiais Fazem Separadores Comerciais de Bateria?

O material precisa ser não condutor. E deve ter grande estabilidade térmica (explicada mais adiante).

Fabricantes usam graus especiais de poliolefina para produzir baterias recarregáveis de íon-lítio. O material poliolefina vem da laminação de polietileno e polipropileno juntos.

Poliolefina é preferência por suas propriedades mecânicas, estabilidade química. Empresas também preferem poliolefina devido ao seu baixo custo.

A imagem abaixo é um separador de bateria poliolefínico, aplicável em baterias recarregáveis.

Fonte: Plasticstoday.com

Além da poliolefina, outros materiais incluem:

• Cloreto de polivinila
• Camada de revestimento cerâmico de nylon
• Poliéster
• Amianto
• Vidro e
• Tetrafluoretileno.

 

Processo de Fabricação para um Separador de Bateria

Como sua estrutura, o processo de produção de separadores de bateria é simples. O processo é por estiramento ou processamento úmido do material poliolefínico.

O procedimento seco envolve usar força mecânica para criar os poros. E é adequado para maiores densidades de potência.

O processo úmido envolve adicionar aditivos ao material do filme poliolefínico. Assim, é um processo químico de criação de poros.

Embora simples, o processo seco causa os poros a terem tamanhos diferentes. O resultado é redução na eficácia do separador. O procedimento seco também enfraquece o separador, minimizando sua resistência à perfuração.

O processo úmido é um pouco mais complicado – e caro também. Felizmente, cria tamanhos de poros iguais para o separador. O resultado é melhoria na molhabilidade.

Nota lateral – Molhabilidade é a capacidade do separador de bateria de "molhar" com suas soluções eletrolíticas. Embora o processo úmido seja eficaz, não aumenta a retenção de eletrólito.

Quais São as Propriedades de um Separador de Bateria?

A pergunta ajuda a entender o que faz um bom separador de bateria auxiliar. O separador não é apenas responsável pela eficiência da bateria, mas também pela segurança.

Entendemos melhor ambos requisitos (eficiência e segurança) examinando suas diferentes propriedades. Vamos lá.

Bateria de Íon-Lítio

1. Estabilidade Química

Como você já sabe, um separador de bateria deve ter propriedades de não condutividade. Ou seja, o separador não deve reagir com nenhum dos eletrodos ânodo ou cátodo.

Também, o separador precisa permanecer quimicamente estável. Mais uma vez, isso garante que o separador não reaja com o eletrólito líquido. Tal estabilidade ajuda a bateria a superar degradação.

2. Espessura e Resistência Mecânica

O objetivo é desenvolver uma bateria fina sem perder sua resistência mecânica. Em outras palavras, quando um separador de bateria Li-Ion é fino, ajuda a aliviar sua densidade de potência e energia.

Com isso em mente, fabricantes de baterias garantem que a bateria primária tenha resistência à tração suficiente. Ajuda a evitar estiramento da bateria, especialmente durante processo de enrolamento.

3. Porosidade e Densidade de Poros

A intenção é que o separador tenha alta densidade de poros. Isso retém eletrólitos e permite livre movimento de íons de lítio entre os eletrodos.

A porosidade do separador não deve ser muito grande, nem muito pequena. O tamanho do poro deve ser largo o suficiente para fechar quando a bateria desliga.

Medimos a porosidade de um separador em porcentagem. A porosidade média é 40 por cento. E sim, os poros devem ter distribuição uniforme.

 

4. Estabilidade Térmica

O separador precisa suportar e aguentar uma ampla gama de temperaturas. Não deve enrolar ou enrugar em temperaturas muito altas. O separador deve desligar em temperaturas inferiores ao ponto de fusão do polímero antes da fuga térmica. Em essência, este é o processo de recozimento.

Desafios (e Soluções) com Separadores de Bateria?

Ok, há desenvolvimentos constantes para melhorar desempenho de baterias recarregáveis de íon-lítio. Mas, isso encontra vários desafios.

A maioria desses desafios se deve a necessidades emergentes. Por exemplo, há necessidades e requisitos para baterias suportarem altas temperaturas.

Também há necessidade de baterias durarem muito sem comprometer suas propriedades de célula.

Alguns dos desafios enfrentando a fabricação de separadores de bateria incluem:

a) A necessidade de produzir separadores mais finos

b) Aumentar a molhabilidade

c) A intenção de melhorar o desempenho da bateria em altas temperaturas

Deixe-me explicar esses desafios mais.

A necessidade de desempenho térmico estável é devida à invenção de redes de energia e carros elétricos. Ambas invenções requerem baterias pesadas que suportem altas temperaturas.

Fabricantes estão melhorando desempenho de célula usando novos materiais. As estabilidades térmicas são melhores que poliolefina.

A necessidade de molhabilidade aprimorada é devida à incompatibilidade da poliolefina. A escolha do polímero não é compatível com materiais eletrolíticos comuns.

Os novos eletrolitos convencionais são característicos de altas constantes dielétricas. O que ajuda a encurtar o processo de fabricação da bateria.

Ao mesmo tempo, a incompatibilidade da poliolefina resulta em distribuição desigual de corrente. O resultado é uma bateria primária que não carrega seu dispositivo elétrico por tempo suficiente.

Finalmente, sempre há demanda por baterias mais finas. Como esperado, isso é desafiador. Baterias precisam de eletrodos mais grossos para manter mais carga. No entanto, empresas estão criando graus especiais de poliolefina para melhorar o alto peso molecular do Li.

Há Desenvolvimentos em Bateria de Íon-Lítio?

Fabricantes trabalham duro para melhorar o desempenho de separadores de bateria.

Empresas desenvolvem maneiras únicas (e possivelmente patenteadas) para melhorar molhabilidade e estabilidade térmica. Vamos ver algumas das melhorias até agora.

Bateria de Íon-Lítio

a) Decorando o Separador com Nanopartículas de Sílica

O processo envolve anexar nanopartículas de sílica aos poros e paredes dos poros dos separadores. O resultado esperado é molhabilidade melhorada em relação ao eletrólito da bateria. O método também melhora a resistência ao calor da bateria.

Enquanto o material do separador aumenta a resistência ao calor, as nanopartículas de sílica aumentam a molhabilidade.

b) Usando Processo de Inversão de Fase para Produzir PEIs Novos (Polietereimidas)

O processo envolve usar PD e BPADA para produzir separadores. É útil porque o separador de bateria agora tem melhores propriedades. Por exemplo, o separador pode lidar com ampla gama de condutividades.

As PEIs também ajudam a minimizar o grau de inchaço da bateria. Assim, resulta em rápida absorção de eletrólito.

Melhor ainda, o separador de bateria exibe estabilidade térmica de até 220°C.

c) Reticulação Induzida por Hidrogênio (HHC)

A técnica é uma reticulação covalente de um óxido de polietileno sobre um separador PP. O efeito é aumento na afinidade de eletrólito da poliolefina.

Com tal modificação, baterias de íon-lítio têm alta retenção de capacidade. As baterias também têm baixa resistência interna.

Conclusão

Como vimos, um separador de bateria é uma membrana permeável que atua como isolante. Separa o cátodo (eletrodo negativo) do ânodo (eletrodo positivo).

O separador é material vital porque determina a eficácia da bateria. Com separador pouco confiável, uma bateria secundária é igualmente de baixa qualidade.

Fabricantes de baterias estão descobrindo nova tecnologia de separador de bateria para melhorar seu desempenho. Por exemplo, tais baterias secundárias são aplicáveis em PCBs (placas de circuito impresso), disponíveis na WellPCB.