Separadores de Batería Explicados: Cómo Mantienen tus Dispositivos Seguros y Eficientes

Todos conocemos las baterías. También nos acostumbramos a cómo funcionan. Las baterías aseguran que nuestra electrónica portátil (teléfonos, portátiles, etc.) esté completamente cargada. Pero, la mayoría de nosotros no entendemos cómo funciona una batería. No deberías preocuparte, aunque. Este artículo simplifica y explica todo lo que necesitas saber sobre los separadores de batería.

Sumérgete.

¿Qué es Exactamente un Separador de Batería?

Un separador de batería es una membrana permeable entre su ánodo y cátodo. Los dos son los electrodos de la batería.

El separador mantiene ambos electrodos separados para evitar un cortocircuito eléctrico. El ánodo es el electrodo positivo, y el cátodo es el electrodo negativo.

Además, el separador es un componente crítico. Actúa como pasaje de electrones hacia y desde el cátodo o el ánodo. El separador de batería debe ser poroso para permitir el transporte de iones de litio.

El rendimiento y la eficiencia de las baterías de iones de litio dependen de las propiedades y estructura del separador.

¿Cuál es la Función de un Separador de Batería?

La función de un separador de batería es garantizar la seguridad evitando cortocircuitos.

Pero eso no es todo.

El papel principal de un separador de batería es permitir el movimiento seguro de iones. Esto es lo que hace que la batería cargue tu dispositivo electrónico.

El movimiento de electrones del ánodo al cátodo ocurre cuando la batería se está cargando. Y cuando los electrones se mueven en sentido inverso, del cátodo al ánodo, la batería se está descargando.

¿Cuál es la Estructura de un Separador de Batería?

La estructura se trata de tres secciones: el cátodo, el ánodo y un separador poroso. Simple, ¿verdad?

Veamos la imagen a continuación.

El movimiento de electrones es desde el ánodo o el cátodo. El cátodo es el electrodo negativo, mientras que el ánodo es el electrodo positivo, dependiendo de los roles de carga o descarga de la batería.

El separador es poroso para permitir el movimiento de electrones. Para eficiencia, el separador generalmente consiste en membranas poliméricas que forman capas microporosas.

Aunque los poros no son visibles al ojo humano, permiten el movimiento de iones de litio.

Sin el separador, la funcionalidad de una batería es nula. Las películas de poliolefina microporosas controlan la fuga de iones cuando una batería auxiliar es ideal (auto-descarga).

La capa microporosa no permite conductividad eléctrica, actuando siempre como aislante.

La única nota es que la temperatura afecta el rendimiento de los separadores. Si la temperatura sube a cierto punto, los poros se bloquean y se cierran. Por tanto, detiene el movimiento de iones de litio.

¿Qué Materiales Fabrican los Separadores Comerciales de Batería?

El material necesita ser un no conductor. Y debe tener una gran estabilidad térmica (explicada más adelante en este artículo).

Los fabricantes usan grados especiales de poliolefina para producir baterías recargables de iones de litio. El material de poliolefina surge al laminar polietileno y polipropileno juntos.

La poliolefina es preferida por sus propiedades mecánicas, estabilidad química. Las empresas también prefieren la poliolefina debido a su bajo costo.

La imagen de abajo es un separador de batería de poliolefina, por tanto aplicable en baterías recargables.

Aparte de la poliolefina, otros materiales incluyen:

• Cloruro de polivinilo
• Capa cerámica de nailon
• Poliéster
• Asbesto
• Vidrio y
• Tetrafluoroetileno.

Proceso de Fabricación de un Separador de Batería

Al igual que su estructura, el proceso de producción de separadores de batería es simple. El proceso es estirando o procesando en húmedo el material de poliolefina.

El procedimiento en seco implica usar fuerza mecánica para crear los poros. Y es adecuado para mayores densidades de potencia.

El proceso en húmedo implica añadir aditivos al material de película de poliolefina. Así, es un proceso químico de creación de poros.

Aunque simple, el proceso en seco causa que los poros tengan diferentes tamaños. El resultado es una reducción en la efectividad del separador. El procedimiento en seco también debilita el separador, minimizando su resistencia a la perforación.

El proceso en húmedo es un poco más complicado – y costoso también. Afortunadamente, crea los mismos tamaños de poro para el separador. El resultado es una mejora en la mojabilidad.

Nota al margen – La mojabilidad es la capacidad del separador de batería para "mojarse" con sus soluciones electrolíticas. Aunque el proceso en húmedo es efectivo, no aumenta la retención de electrolito.

¿Cuáles son las Propiedades de un Separador de Batería?

La pregunta ayuda a entender qué hace un buen separador de batería auxiliar. El separador no solo es responsable de la eficiencia de la batería sino también de la seguridad.

Entendemos mejor ambos requisitos (eficiencia y seguridad) examinando sus diferentes propiedades. Así que vamos allá.

1. Estabilidad Química

Como ya sabes, un separador de batería debe tener propiedades de no conductividad. Es decir, el separador no debe reaccionar ni con el ánodo ni con el cátodo.

Además, el separador necesita mantenerse químicamente estable. Una vez más, esto asegura que el separador no reaccione con el electrolito líquido. Tal estabilidad ayuda a la batería a superar la degradación.

2. Espesor y Resistencia Mecánica

El objetivo es desarrollar una batería delgada sin perder su resistencia mecánica. En otras palabras, cuando un separador de batería Li-Ion es delgado, ayuda a facilitar su densidad de potencia y energía.

Con esto en mente, los fabricantes de baterías aseguran que la batería primaria tenga suficiente resistencia a la tracción. Ayuda a prevenir el estiramiento de la batería, especialmente durante un proceso de bobinado.

3. Porosidad y Densidad de Poros

La intención es que el separador tenga una alta densidad de poros. Esto retiene electrolitos y permite el libre movimiento de iones de litio entre los electrodos.

La porosidad del separador no debe ser demasiado grande, ni demasiado pequeña. El tamaño del poro debe ser lo suficientemente ancho para cerrarse cuando la batería se apaga.

Medimos la porosidad de un separador en porcentaje. La porosidad promedio es 40 por ciento. Y sí, los poros deben tener una distribución uniforme.

4. Estabilidad Térmica

El separador necesita soportar y resistir una amplia gama de temperaturas. No debe encogerse ni arrugarse a temperaturas muy altas. El separador debe apagarse a temperaturas inferiores al punto de fusión del polímero antes de la fuga térmica (thermal runaway). En esencia, este es el proceso de recocido.

Desafíos (y Soluciones) con los Separadores de Batería

Vale, hay desarrollos constantes para mejorar el rendimiento de las baterías recargables de iones de litio. Pero, eso se encuentra con bastantes desafíos.

La mayoría de estos desafíos se deben a necesidades emergentes. Por ejemplo, hay necesidades y requisitos para que las baterías soporten altas temperaturas.

Además, hay una necesidad de que las baterías duren mucho sin comprometer sus propiedades de celda.

Algunos de los desafíos que enfrenta la fabricación de separadores de batería incluyen:

a) La necesidad de producir separadores más delgados

b) Aumentar la mojabilidad

c) La intención de mejorar el rendimiento de la batería a altas temperaturas

Permíteme explicar estos desafíos más a fondo.

La necesidad de rendimiento térmico estable se debe a la invención de redes eléctricas y coches eléctricos. Ambas invenciones requieren baterías de servicio pesado que puedan soportar altas temperaturas.

Los fabricantes están mejorando el rendimiento de la celda usando nuevos materiales. Las estabilidades térmicas son mejores que la poliolefina.

La necesidad de mojabilidad mejorada se debe a la incompatibilidad de la poliolefina. La elección de polímero no es compatible con materiales electrolíticos comunes.

Los nuevos electrolitos convencionales se caracterizan por constantes dieléctricas altas. Lo que ayuda a acortar el proceso de fabricación de la batería.

Al mismo tiempo, la incompatibilidad de la poliolefina resulta en distribución desigual de corriente. El resultado es una batería primaria que no carga tu dispositivo eléctrico lo suficiente.

Finalmente, siempre hay una demanda de baterías más delgadas. Como se esperaba, esto es un desafío. Las baterías necesitan electrodos más gruesos para retener más carga. No obstante, las empresas están desarrollando grados especiales de poliolefina para mejorar el alto peso molecular de Li.

¿Hay Desarrollos en Baterías de Iones de Litio?

Los fabricantes queman el aceite de medianoche para mejorar el rendimiento de los separadores de batería.

Las empresas desarrollan formas únicas (y posiblemente patentadas) para mejorar la mojabilidad y la estabilidad térmica. Veamos algunas de las mejoras hasta ahora.

a) Decorar el Separador con Nanopartículas de Sílice

El proceso implica unir nanopartículas de sílice a los poros y paredes de poros de los separadores. El resultado esperado es una mojabilidad mejorada hacia el electrolito de la batería. El método también mejora la resistencia al calor de la batería.

Mientras el material del separador aumenta la resistencia al calor, las nanopartículas de sílice mejoran la mojabilidad.

b) Usar Proceso de Inversión de Fase para Producir PEIs Novedosos (Polietermidas)

El proceso implica usar PD y BPADA para producir separadores. Es útil porque el separador de batería ahora tiene mejores propiedades. Por ejemplo, el separador puede manejar una amplia gama de conductividades.

Los PEIs también ayudan a minimizar el grado de hinchazón de la batería. Así, resulta en un rápido mojado del electrolito.

Mejor aún, el separador de batería muestra estabilidad térmica de hasta 220°C.

c) Entrecruzamiento Inducido por Hidrógeno (HHC)

La técnica es un entrecruzamiento covalente de un óxido de polietileno sobre un separador PP. El efecto es un aumento en la afinidad del electrolito de la poliolefina.

Con tal modificación, las baterías de iones de litio tienen alta retención de capacidad. Las baterías también tienen baja resistencia interna.

Conclusión

Como hemos visto, un separador de batería es una membrana permeable que actúa como aislante. Separa el cátodo (electrodo negativo) del ánodo (electrodo positivo).

El separador es un material vital porque determina la efectividad de la batería. Con un separador poco fiable, una batería secundaria es de igual baja calidad.

Los fabricantes de baterías están descubriendo nueva tecnología de separadores para mejorar su rendimiento. Por ejemplo, tales baterías secundarias son aplicables en PCBs (placas de circuito impreso), disponibles en WellPCB.