Battery Separator Dijelaskan: Bagaimana Mereka Menjaga Perangkat Anda Tetap Aman dan Efisien

Kita semua tahu tentang baterai. Kita juga terbiasa dengan cara kerjanya. Baterai memastikan elektronik portabel kami (ponsel, laptop, dll.) dalam penuh daya. Namun, sebagian besar dari kita tidak memahami cara kerja baterai. Namun, Anda tidak perlu khawatir. Artikel ini menyederhanakan dan menjelaskan semua yang perlu Anda ketahui tentang separator baterai.

Mari kita menyelami. 

Apa Itu Separator Baterai?

Struktur Baterai Lithium-ion

Separator baterai adalah membran permeabel antara anoda dan katoda. Keduanya adalah elektroda baterai. 

Separator mempertahankan kedua elektroda terpisah untuk menghindari short circuit listrik. Anoda adalah elektroda positif, dan katoda adalah elektroda negatif.

Selain itu, separator adalah komponen krusial. Ia bertindak sebagai saluran elektron menuju dan dari katoda atau anoda. Separator baterai harus berpori untuk memungkinkan transportasi ion lithium.

Performa dan efisiensi baterai Lithium-ion bergantung pada properti dan struktur separator.

Apa Fungsi Separator Baterai?

Fungsi separator baterai adalah untuk menjamin keamanan dengan menghindari short circuit.

Namun, itu belum semua.

Peran utama separator baterai adalah untuk memungkinkan gerakan ion yang aman. Itulah yang membuat baterai mengisi daya perangkat elektronik Anda. 

Gerakan elektron dari anoda ke katoda terjadi ketika baterai sedang diisi. Dan ketika elektron bergerak secara terbalik, dari katoda ke anoda, baterai sedang mengosongkan daya.  

Apa Struktur Separator Baterai?

Struktur adalah tentang tiga bagian – katoda, anoda, dan separator berpori. Sederhana, kan? 

Mari kita lihat gambar di bawah. 

Struktur Sel AA

Gerakan elektron adalah dari elektroda anoda atau katoda. Katoda adalah elektroda negatif, sementara anoda adalah elektroda positif, tergantung pada peran pengisian atau pengosongan baterai.

Separator berpori untuk memungkinkan gerakan elektron. Untuk efisiensi, separator biasanya terdiri dari membran polimer yang membentuk lapisan mikroporos.

Meskipun pori tidak terlihat oleh mata telanjang, mereka memungkinkan gerakan ion lithium.

Tanpa separator, fungsionalitas baterai adalah nol. Film poliolefin poros mengontrol kebocoran ion ketika baterai bantuan ideal (self-discharge). 

Lapisan mikroporos tidak mengizinkan konduktivitas listrik, sehingga selalu bertindak sebagai isolator.

Catatan satu hal adalah suhu mempengaruhi performa separator. Jika suhu naik ke titik tertentu, pori akan tersumbat dan dimatikan. Oleh karena itu, ini menghentikan gerakan ion lithium.

Bahan Apa yang Membuat Separator Baterai Komersial?

Bahan perlu menjadi non-konduktor. Dan harus memiliki stabilitas termal (dijelaskan lebih lanjut dalam artikel ini).

Produsen menggunakan grade poliolefin khusus untuk menghasilkan baterai lithium-ion rechargeable. Bahan poliolefin datang dengan melaminasi polyethylene dan polypropylene bersama-sama.

Poliolefin adalah preferensi karena properti mekaniknya, stabilitas kimiawi. Perusahaan juga memilih poliolefin karena biayanya rendah.

Gambar di bawah ini adalah separator baterai poliolefin, sehingga berlaku untuk baterai rechargeable.

Sumber: Plasticstoday.com

Selain poliolefin, bahan lainnya meliputi:

• Polyvinyl chloride 
• Lapisan lapisan keramik nylon
• Polyester
• Asbestos
• Glass dan
• Tetrafluoroethylene. 

 

Proses Manufaktur Separator Baterai

Seperti strukturnya, proses produksi separator baterai sederhana. Proses adalah dengan meregangkan atau pengolahan basah bahan poliolefin.

Proses kering melibatkan penggunaan gaya mekanis untuk membuat pori. Dan cocok untuk densitas daya lebih tinggi. 

Proses basah melibatkan penambahan aditif pada bahan film poliolefin. Jadi, ini adalah proses kimiawi untuk membuat pori.

Meskipun sederhana, proses kering menyebabkan pori memiliki ukuran yang berbeda. Hasilnya adalah pengurangan efektivitas separator. Prosedur kering juga melemahkan separator, sehingga meminimalkan kekuatan lobangnya.

Proses basah sedikit lebih rumit – dan mahal juga. Untungnya, ia membuat ukuran pori yang sama untuk separator. Hasilnya adalah perbaikan dalam wettability.

Catatan samping – Wettability adalah kemampuan separator baterai untuk “basah” dengan larutan elektrolitnya. Sementara proses basah efektif, ia tidak meningkatkan retensi elektrolit.

Apa Properti Separator Baterai?

Pertanyaan membantu memahami apa yang membuat separator baterai bantuan yang baik. Separator tidak hanya bertanggung jawab atas efisiensi baterai tetapi juga keamanan.

Kami paling baik memahami kedua persyaratan (efisiensi dan keamanan)  dengan memeriksa properti-properti yang berbeda. Jadi mari kita coba. 

Baterai Lithium-Ion

1. Stabilitas Kimiawi

Seperti yang Anda ketahui, separator baterai seharusnya memiliki properti non-konduktivitas. Artinya, separator seharusnya tidak bereaksi dengan elektroda anoda atau katoda.

Selain itu, separator perlu tetap stabil kimiawi. Sekali lagi, ini memastikan separator tidak bereaksi dengan elektrolit cair. Stabilitas semacam ini membantu baterai mengatasi degradasi.

2. Ketebalan dan Kekuatan Mekanis

Tujuan adalah untuk mengembangkan baterai tipis tanpa kehilangan kekuatan mekanisnya. Dengan kata lain, ketika separator baterai Li-Ion tipis, itu membantu mempermudah densitas daya dan energi.

Dengan ini dalam pikiran, produsen baterai memastikan baterai primer memiliki kekuatan tarik yang cukup. Ini membantu mencegah peregangan baterai, terutama selama proses gulungan.

3. Porositas dan Densitas Pori

Niatnya adalah untuk separator memiliki densitas pori yang tinggi. Ini menahan elektrolit dan memungkinkan gerakan bebas ion lithium di antara elektroda.

Porositas separator seharusnya tidak terlalu besar, juga tidak terlalu kecil. Ukuran pori harus cukup lebar untuk menutup kapan pun baterai dimatikan.

Kami mengukur porositas separator dalam persentase. Rata-rata porositas adalah 40 persen. Dan ya, pori harus memiliki distribusi yang seragam.

 

4. Stabilitas Termal

Separator perlu tahan dan menahan rentang suhu yang luas. Ia seharusnya tidak keriting atau berkerut pada suhu yang sangat tinggi. Separator seharusnya dimatikan pada suhu yang lebih rendah dari titik leleh polimer sebelum thermal runaway. Secara esensial, ini adalah proses annealing.

Tantangan (dan Solusi) dengan Separator Baterai?

Oke, ada pengembangan berkelanjutan untuk meningkatkan performa baterai Li-ion rechargeable. Namun, itu dihadapkan dengan cukup banyak tantangan.

Sebagian besar tantangan ini disebabkan oleh kebutuhan yang muncul. Misalnya, ada kebutuhan dan persyaratan untuk baterai menahan suhu tinggi. 

Selain itu, ada kebutuhan untuk baterai bertahan lama tanpa mengorbankan properti selnya.

Beberapa tantangan yang dihadapi dalam manufaktur separator baterai meliputi:

a) Kebutuhan untuk memproduksi separator yang lebih tipis

b) Untuk meningkatkan wettability 

c) Niat untuk meningkatkan performa baterai pada suhu tinggi

Biarkan saya menjelaskan tantangan ini lebih lanjut.

Kebutuhan akan performa termal yang stabil disebabkan oleh penemuan jaringan listrik dan mobil listrik. Keduanya memerlukan baterai tugas berat yang dapat menahan suhu tinggi.

Produsen meningkatkan performa sel dengan menggunakan bahan baru. Stabilitas termalnya lebih baik daripada poliolefin.

Kebutuhan akan wettability yang ditingkatkan disebabkan oleh ketidakkocokan poliolefin. Pilihan polimer tidak kompatibel dengan bahan elektrolit umum.

Elektrolit konvensional baru memiliki karakteristik konstanta dielektrik tinggi. Yang membantu memperpendek proses manufaktur baterai.

Pada saat yang sama, ketidakkocokan poliolefin menghasilkan distribusi arus yang tidak merata. Hasilnya adalah baterai primer yang tidak mengisi daya perangkat listrik Anda cukup lama.

Terakhir, selalu ada permintaan untuk memiliki baterai yang lebih tipis. Seperti yang diharapkan, ini menantang. Baterai membutuhkan elektroda yang lebih tebal untuk menahan lebih banyak muatan. Meskipun demikian, perusahaan sedang mencoba grade poliolefin khusus untuk meningkatkan bobot molekuler tinggi Lid.

Apakah Ada Perkembangan pada Baterai Lithium Ion? 

Produsen bekerja keras untuk meningkatkan performa separator baterai.

Perusahaan mengembangkan cara unik (dan mungkin paten) untuk meningkatkan wettability dan stabilitas termal. Mari kita lihat beberapa perbaikan sejauh ini. 

Baterai Lithium-Ion 

a) Mempersiapkan Separator dengan Nanopartikel Silika

Proses melibatkan menempelkan nanopartikel silika pada pori dan dinding pori separator. Hasil yang diharapkan adalah wettability yang ditingkatkan terhadap elektrolit baterai. Metode ini juga meningkatkan resistansi baterai terhadap panas.

Sementara bahan separator meningkatkan resistansi panas, nanopartikel silika meningkatkan wettability.

b) Menggunakan Proses Phase Inversion untuk Menghasilkan PEIs Baru (Polyetherimides)

Proses melibatkan penggunaan PD dan BPADA untuk menghasilkan separator. Ini berguna karena separator baterai sekarang memiliki properti yang lebih baik. Misalnya, separator dapat menangani rentang konduktivitas yang luas.

PEIs juga membantu meminimalkan tingkat pembengkakan baterai. Jadi, ini menghasilkan wicking elektrolit yang cepat.

Lebih baik lagi, separator baterai menampilkan stabilitas termal hingga 220°C.

c) Crosslinking Diinduksi Hidrogen (HHC)

Teknik ini adalah crosslinking kovalen dari polyethylene oxide pada separator PP. Efeknya adalah peningkatan affinensi elektrolit poliolefin.

Dengan modifikasi seperti itu, baterai Li-ion memiliki retensi kapasitas tinggi. Baterai juga memiliki resistansi internal rendah.

Kesimpulan 

Seperti yang telah kita lihat, separator baterai adalah membran permeabel yang bertindak sebagai isolator. Ia memisahkan katoda (elektroda negatif) dari anoda (elektroda positif).

Separator adalah bahan penting karena menentukan efektivitas baterai. Dengan separator yang kurang andal, baterai sekunder adalah kualitas yang sama rendah.

Produsen baterai sedang menemukan teknologi separator baterai baru untuk meningkatkan performanya. Misalnya, baterai sekunder semacam ini berlaku untuk PCB (printed circuit boards), yang tersedia di WellPCB.