¿Cuál es la diferencia entre un separador y un electrolito?
En las baterías de iones de litio, los electrolitos y separadores, junto con el cátodo y el ánodo, constituyen los cuatro materiales principales de una batería. Si el cátodo y el ánodo determinan el límite superior de la densidad energética, el electrolito puede considerarse la "sangre" de la batería, mientras que el separador actúa como una "válvula de seguridad" que mantiene el orden y la seguridad. Juntos, determinan si los iones de litio pueden circular de forma eficiente, segura y estable dentro de la batería, lo que desempeña un papel decisivo en su rendimiento y fiabilidad.
I. La “sangre” de las baterías de litio: el electrolito
Como es bien sabido, el electrolito se conoce como la "sangre" de una batería de litio. Solo tras la inyección de electrolito, una batería se vuelve realmente funcional; de lo contrario, es simplemente una cáscara vacía sin sustancia real. Se podría decir que en el momento en que se inyecta el electrolito, es como si un cuerpo recibiera un alma, revitalizando instantáneamente la batería.
El electrolito es un líquido incoloro y transparente, un componente clave de las baterías de iones de litio. Junto con el cátodo, el ánodo y el separador, es uno de los cuatro materiales principales de las baterías de litio. Su función principal es facilitar el transporte de iones de litio dentro de la batería, posibilitando los procesos de carga y descarga.
1. Composición del electrolito
El
electrolito de batería de iones de litio
Se compone principalmente de disolventes orgánicos, sales de litio y aditivos.
Estos suelen ser disolventes a base de carbonato, como el carbonato de dimetilo (DMC), el carbonato de etilo y metilo (EMC), el carbonato de dietilo (DEC) y el carbonato de etileno (EC). En la práctica, se suelen mezclar varios disolventes para equilibrar la conductividad iónica, la viscosidad y el rendimiento a baja temperatura.
Las sales de litio comunes incluyen el hexafluorofosfato de litio (LiPF₆), la bis(fluorosulfonil)imida de litio (LiFSI) y la bis(trifluorometanosulfonil)imida de litio (LiTFSI). Entre ellas, el LiPF₆ sigue siendo el más utilizado en aplicaciones comerciales.
Para garantizar la estabilidad del electrolito, mejorar la eficiencia de carga y descarga y prolongar la vida útil del ciclo, o para cumplir con requisitos funcionales específicos, se suele incorporar una pequeña cantidad de aditivos. Algunos ejemplos típicos incluyen:
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Aditivos formadores de película: carbonato de fluoroetileno (FEC), carbonato de vinileno (VC)
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Aditivos para mejorar el rendimiento a baja temperatura: DTD
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Aditivos retardantes de llama: compuestos a base de fosfato
Aunque se utilizan en pequeñas cantidades, los aditivos a menudo tienen un impacto significativo en el rendimiento de la batería.
2. Proceso de producción de electrolitos
El proceso de producción de electrolitos es relativamente sencillo, pero requiere un estricto control ambiental y una gestión precisa del proceso.
Según la formulación, los disolventes sometidos a un riguroso tratamiento de deshidratación se añaden primero, en las proporciones requeridas, a un reactor de mezcla protegido por una atmósfera inerte (generalmente nitrógeno). A continuación, se activa un enfriador para enfriar la mezcla de disolventes. Una vez alcanzada la temperatura adecuada, se añade lentamente la sal de litio, agitando para asegurar su completa disolución.
Durante este proceso, la disolución de las sales de litio, especialmente de LiPF₆, es exotérmica, lo que provoca un aumento de la temperatura de la solución. Por lo tanto, es necesario aplicar enfriamiento antes y durante la adición de la sal. La sal de litio debe añadirse lentamente y en pequeñas porciones, con un control continuo de la temperatura para evitar un calentamiento excesivo que podría degradar la calidad del electrolito.
Una vez disuelta completamente la sal de litio, se introducen los aditivos necesarios y se mezclan a fondo. Una vez que el muestreo y las pruebas confirman el cumplimiento de las especificaciones, el electrolito se envasa a presión en recipientes de acero inoxidable y se deja reposar un tiempo antes de su envasado y almacenamiento final.
3. Parámetros técnicos clave del electrolito
Las especificaciones del electrolito pueden variar según la formulación y los requisitos del cliente. Los parámetros técnicos comunes incluyen los siguientes:
La conductividad iónica es una de las propiedades más importantes de un electrolito, ya que afecta directamente el transporte de iones de litio dentro de la batería. Una alta conductividad permite cargas y descargas de alta velocidad y alta corriente.
La conductividad está fuertemente influenciada por la concentración de sal de litio y la composición del disolvente. Normalmente, la conductividad del electrolito oscila entre 5 y 15 mS/cm.
La densidad se ve afectada principalmente por la composición del disolvente y la concentración de sal de litio. Una mayor proporción de disolventes densos o un mayor contenido de sal resultan en una mayor densidad del electrolito. El rango típico es de 1,0 a 1,5 g/mL.
La humedad es un parámetro crucial, que suele introducirse debido a materias primas insuficientemente secas o durante el procesamiento. Un exceso de humedad puede provocar que las sales de litio reaccionen con el agua, formando especies ácidas que degradan el rendimiento de la batería.
Generalmente se requiere que el contenido de humedad sea inferior a 10 ppm, con un límite máximo de 20 ppm.
Una acidez alta puede corroer los componentes internos de la batería y provocar reacciones secundarias que provoquen una pérdida de capacidad y un rendimiento deficiente del ciclo.
Un electrolito calificado debe ser incoloro y transparente. El uso inadecuado o ciertos aditivos pueden causar decoloración. Los fabricantes de baterías no suelen ser muy estrictos con el color, y los valores inferiores a 50 suelen ser aceptables; los valores superiores se consideran defectuosos.
La viscosidad afecta la movilidad de los iones de litio. Idealmente, se prefiere una viscosidad más baja. Los electrolitos con mayor contenido de sales de litio o de electrolitos (EC) tienden a tener mayor viscosidad, mientras que aquellos ricos en carbonatos lineales generalmente tienen una viscosidad más baja.
Para aplicaciones de alta gama, las impurezas iónicas, especialmente los iones metálicos como el cobre y el hierro, se controlan rigurosamente. Estas impurezas pueden desencadenar reacciones internas y suponer riesgos de seguridad, por lo que se imponen límites estrictos.
Además de cumplir con las especificaciones anteriores, un electrolito ideal debe presentar una constante dieléctrica alta, una amplia ventana electroquímica, buena estabilidad electroquímica y térmica, bajo costo, ausencia de toxicidad y alta seguridad. Sin embargo, estas propiedades suelen ser difíciles de lograr simultáneamente. Por ejemplo, los electrolitos con alta conductividad y constantes dieléctricas altas suelen tener mayor viscosidad, y viceversa.
En los últimos años, la búsqueda de una mayor densidad energética y la aparición de baterías de estado sólido han tenido cierto impacto en la industria de los electrolitos. Sin embargo, dado el estado actual de la tecnología de las baterías de estado sólido, pasará mucho tiempo antes de que puedan reemplazar por completo a las baterías de litio líquido. En el futuro próximo, las baterías de iones de litio líquido seguirán dominando, por lo que se espera que el mercado de electrolitos se mantenga relativamente estable.
II. La «válvula de seguridad» de las baterías de litio: el separador
El
separador de batería de iones de litio
Es otro componente indispensable de las baterías de litio y uno de los cuatro materiales principales. Generalmente, es una película de polímero blanca y porosa hecha de polietileno (PE) o polipropileno (PP). Su función principal es separar físicamente el cátodo y el ánodo, evitando cortocircuitos internos.
1. Funciones del separador
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Para aislar el cátodo y el ánodo, evitando cortocircuitos internos.
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Proporcionar vías para el transporte de iones de litio durante la carga y descarga (bloqueando los electrones y permitiendo el paso de los iones)
2. Tipos y procesos de fabricación de separadores
Según el proceso de fabricación, los separadores se clasifican principalmente en separadores de proceso seco y separadores de proceso húmedo, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.
(1) Separadores de proceso seco
Los separadores de proceso seco aprovechan el comportamiento de cristalización del PP o PE bajo alta tensión. Primero se prepara una película fundida con alta orientación y baja cristalinidad, que luego se estira para formar microdefectos, que posteriormente se expanden mediante recocido a alta temperatura para crear una membrana porosa orientada uniaxialmente.
Fusión → Fundición → Tratamiento térmico → Estiramiento → Producto terminado
Bajo costo y buena resistencia a altas temperaturas; comúnmente utilizado en baterías de litio convencionales.
(2) Separadores de proceso húmedo
Los separadores de proceso húmedo se producen típicamente mediante el método de separación de fases inducida térmicamente (TIPS). Las poliolefinas se mezclan con disolventes de moléculas pequeñas de alto punto de ebullición (como el aceite de parafina) para formar una solución homogénea. Al enfriarse, se produce la separación de fases sólido-líquido o líquido-líquido, lo que resulta en una estructura bifásica. El estiramiento biaxial orienta las cadenas de polímero, seguido
mediante extracción con disolventes para obtener un separador microporoso.
Mezcla de materia prima → Moldeo por extrusión → Estiramiento → Extracción → Fijación térmica → Producto terminado
Mayor costo y mayor resistencia a la tracción; se utiliza principalmente en baterías de litio de alta gama.
3. Indicadores clave de rendimiento de los separadores
El rendimiento del separador tiene un impacto directo en la capacidad de carga, la seguridad y la vida útil de la batería. Los indicadores clave incluyen:
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Tamaño y distribución promedio de los poros (afectan al transporte de iones de litio)
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Porosidad (afecta el transporte de iones de litio)
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Espesor (afecta la resistencia interna y la densidad de energía)
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Mojabilidad (afecta la infiltración de electrolitos)
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Tortuosidad (afecta la velocidad de transporte de iones de litio)
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Absorción de electrolitos (afecta la capacidad de retención de electrolitos)
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Estabilidad electroquímica (no participación en reacciones electroquímicas)
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Estabilidad térmica (afecta la seguridad de la batería)
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Permeabilidad al aire (afecta el transporte de iones de litio)
Un separador de alta calidad debe ofrecer una excelente estabilidad térmica, una porosidad adecuada y una alta capacidad de absorción y retención de electrolitos. Parámetros como el espesor, la porosidad, la permeabilidad al aire y la distribución del tamaño de poro influyen principalmente en el rendimiento del transporte de iones de litio, mientras que la estabilidad electroquímica y la estabilidad térmica son fundamentales para la seguridad de la batería.
Además, para mejorar aún más el rendimiento de la batería, especialmente la seguridad y la vida útil, muchos fabricantes de separadores y baterías aplican recubrimientos funcionales a la superficie del separador. Estos incluyen recubrimientos de óxido inorgánico (como Al₂O₃ y boehmita) y recubrimientos poliméricos (como PVDF), que mejoran significativamente el rendimiento general del separador.
III. Conclusión
Como materiales fundamentales que rigen el transporte de iones de litio y la seguridad de las baterías, los electrolitos y separadores desempeñan un papel decisivo en el rendimiento, la vida útil y la fiabilidad de las baterías. Un conocimiento profundo de sus propiedades, procesos de fabricación y parámetros técnicos clave es esencial para la I+D de baterías, la producción piloto y la fabricación a gran escala.
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