فاصل السيراميك: حارس سلامة بطاريات الحالة الصلبة
1. لماذا نحتاج إلى فاصل السيراميك؟
فواصل البطاريات السائلة التقليدية (مثل البولي إيثيلين/البولي بروبيلين) معرضة للذوبان والانكماش عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى حدوث قصر في الدوائر الكهربائية بين الأقطاب الموجبة والسالبة. على سبيل المثال، تُشكل الإلكتروليتات السائلة المستخدمة في بطاريات الليثيوم التقليدية مخاطر الاشتعال والتسرب.
على الرغم من أن بطاريات الحالة الصلبة تستخدم إلكتروليتات الحالة الصلبة، إلا أنها لا تزال تعاني من ارتفاع معاوقة الواجهة وخطر اختراق شجيرات الليثيوم. في المقابل، يُعالج استخدام الفواصل الخزفية هذه المشاكل من خلال الخصائص التالية:
(1)مقاومة درجات الحرارة العالية: تتمتع المواد الخزفية (مثل الألومينا والبوهيميت) عمومًا بنقطة انصهار تتجاوز 1500 درجة مئوية ويمكنها تحمل درجات حرارة عالية تزيد عن 300 درجة مئوية دون فشل، مما يضمن بقاء البطارية آمنة ومستقرة في البيئات القاسية.
(2)مقاومة للثقب: تتمتع الجزيئات الخزفية بصلابة عالية (يتمتع البوهيميت بصلابة موس تبلغ 3.5)، مما يمكنه منع شجيرات الليثيوم من الاختراق بشكل فعال.
(3)الاستقرار الكيميائي: متوافق مع الإلكتروليتات الحالة الصلبة، فهو يتجنب التفاعلات الجانبية ويطيل عمر خدمة البطارية بشكل كبير.
(4)التركيب الوظيفي: تتميز بعض المواد الخزفية (مثل لاتي بي) بموصلية أيونية، مما يُحسّن معاوقة الواجهة. هذه الخصائص تجعل الفواصل الخزفية مكونًا أساسيًا لا غنى عنه في بطاريات الحالة الصلبة.
2. أنواع المواد والعمليات الهيكلية للفواصل الخزفية
(1) أنواع المواد:
سيراميك الألومينا، السيراميك المركب، السيراميك النانوي.
(2) الهياكل:
الفواصل الخزفية المطلية: يتم طلاء طبقة خزفية بسمك 500 نانومتر - 4 ميكرومتر على سطح الأغشية القائمة على البولي أوليفين (التربية البدنية/ب ب)، مما يعزز مقاومة الحرارة (مقاومة درجة الحرارة 200 درجة مئوية).
الفواصل الخزفية المركبة: يتم خلط الجزيئات الخزفية مع إلكتروليتات البوليمر لتشكيل شبكة توصيل أيونية ثلاثية الأبعاد.
جميع الإلكتروليتات الخزفية ذات الحالة الصلبة: يتم استخدام السيراميك من نوع ناسيكون (مثل لزو) أو من نوع العقيق (مثل LLTO) بشكل مباشر كفاصلات، مما يؤدي إلى القضاء تمامًا على الإلكتروليتات السائلة.
(3) العمليات:
عملية الطلاء: يُستخدم طلاء الأسطوانة المحفورة بالحفر الدقيق أو طلاء البثق بالفتحات لتحقيق تغطية موحدة من جانب واحد أو جانبين للطبقة الخزفية. على سبيل المثال، يمكن التحكم بدقة في سمك طلاء البوهميت عند 1-2 ميكرومتر، مما يُوازن بين السلامة وكثافة الطاقة.
تقنية التلبيد: يتم استخدام التلبيد عالي الحرارة (800-1200 درجة مئوية) لربط الجزيئات الخزفية بإحكام بالغشاء الأساسي، مما يشكل طبقة كثيفة.
تنظيم الواجهة: يتم إدخال أفلام معهد جنوب شرق آسيا للأبحاث الاصطناعية أو موصلات الأيونات السريعة (مثل لي تي اف اس اي) بين الطبقة الخزفية والقطب الكهربائي لتقليل معاوقة الواجهة.