1. Por que é necessário um separador de cerâmica?
Os separadores líquidos tradicionais para baterias (como PE/PP) são propensos a derreter e encolher em altas temperaturas, causando curtos-circuitos entre os eletrodos positivo e negativo. Por exemplo, os eletrólitos líquidos usados em baterias de lítio tradicionais apresentam riscos de inflamabilidade e vazamento.
Embora as baterias de estado sólido utilizem eletrólitos de estado sólido, elas ainda sofrem com alta impedância interfacial e o risco de penetração de dendritos de lítio. Em contrapartida, a introdução de separadores cerâmicos resolve esses problemas por meio das seguintes características:
(1) Alta resistência à temperatura:Os materiais cerâmicos (como alumina e boehmita) geralmente têm um ponto de fusão superior a 1.500 °C e podem suportar altas temperaturas acima de 300 °C sem falhar, garantindo que a bateria permaneça segura e estável em ambientes extremos.
(2) Resistência à perfuração:As partículas cerâmicas possuem alta dureza (a boehmita tem dureza 3,5 na escala de Mohs), o que pode bloquear eficazmente a penetração de dendritos de lítio.
(3) Estabilidade química:Compatível com eletrólitos de estado sólido, evita reações secundárias e prolonga significativamente a vida útil da bateria.
(4) Compósito funcional:Alguns materiais cerâmicos (como o LATP) também possuem condutividade iônica, o que pode otimizar a impedância interfacial. Essas características tornam os separadores cerâmicos um componente essencial e indispensável das baterias de estado sólido.
2. Tipos de materiais e processos estruturais de separadores cerâmicos
(1) Tipos de materiais:
Cerâmicas de alumina, cerâmicas compósitas, nanocêramicas.
(2) Estruturas:
Separadores cerâmicos revestidos: Uma camada cerâmica com espessura de 500 nm a 4 μm é aplicada na superfície de membranas à base de poliolefinas (PE/PP), aumentando a resistência ao calor (resistência à temperatura de até 200 °C).
Separadores cerâmicos compostos: Partículas cerâmicas são combinadas com eletrólitos poliméricos para formar uma rede tridimensional de condução iônica.
Eletrólitos de estado sólido totalmente cerâmicos: cerâmicas do tipo NASICON (como LLZO) ou do tipo granada (como LLTO) são usadas diretamente como separadores, eliminando completamente os eletrólitos líquidos.
(3) Processos:
Processo de revestimento: O revestimento por microgravura ou extrusão por fenda é utilizado para obter uma cobertura uniforme da camada cerâmica em um ou ambos os lados. Por exemplo, a espessura do revestimento de boehmita pode ser controlada com precisão entre 1 e 2 μm, equilibrando segurança e densidade de energia.
Tecnologia de sinterização: A sinterização em alta temperatura (800-1200°C) é empregada para unir firmemente as partículas cerâmicas à membrana base, formando uma camada densa.
Regulação da interface: Filmes SEI artificiais ou condutores iônicos rápidos (como o LiTFSI) são introduzidos entre a camada cerâmica e o eletrodo para reduzir a impedância interfacial.