Понимание нюансов выбора материалов в электромобилях позволяет инженерам, работающим в области силовой электроники, лучше выбирать компоненты.
Скромный аккумуляторный сепаратор для электромобилей не так популярен, как катод или анод, но он незаметно обеспечивает баланс между производительностью и безопасностью внутри каждой литий-ионной батареи.
Для электромобилей этот пластиковый лист играет не менее важную роль, чем электроды большой емкости, которые он разделяет. Это простой на вид физический барьер, который по своей сути является сложным компонентом с точки зрения изготовления, функционирования и будущего.
Что делает аккумуляторный сепаратор для электромобилей таким незаменимым?
Аккумуляторный сепаратор – это всего лишь тонкая полимерная пленка, расположенная между анодом и катодом. Его задача – предотвращать короткие замыкания, физически изолируя электроды и позволяя ионам лития свободно перемещаться между ними.
Эта, казалось бы, простая задача требует высокой точности в материаловедении и инженерии. В обычных сепараторах используются полиолефиновые пленки, такие как полиэтилен (PE) или полипропилен, которые отбираются за их химическую инертность и механическую прочность. Однако у этих материалов есть свои недостатки.
Почему сепаратор имеет такое большое значение? Ведь около 80% воздействия продукта на окружающую среду связано с конструктивными решениями, принятыми на ранних этапах разработки компонента. Это особенно актуально, поскольку основной целью электромобилей является сокращение выбросов.
Это требует соблюдения баланса проницаемости сепаратора, механической прочности, термической стабильности и химической стойкости в сложных условиях эксплуатации аккумулятора. Структура микроскопических пор в материалах сепаратора батареи имеет решающее значение для потока ионов и эффективности.
Если эти поры слишком велики, электроны могут пересекаться, вызывая опасные замыкания. Если поры слишком малы, движение ионов замедляется, что снижает производительность.
Усовершенствованные сепараторы могут оснащаться функцией отключения, при которой тепловое расширение приводит к тому, что газ во внутренних микросферах при повышении температуры до 100°C закупоривает поры сепаратора. Это останавливает поток ионов и защищает аккумулятор от перегрева.
Развитие технологии сепараторов
Традиционные сепараторы часто сталкиваются с ограничениями. Полиолефиновые пленки сжимаются при нагревании, что может привести к внутреннему замыканию. Смачиваемость электролитом – еще один важный фактор, влияющий на ионную проводимость и сохранение заряда батареи. Именно здесь на помощь приходят покрытия и композитные материалы.
К числу последних достижений относится модификация полиэтиленовых мембран фенольной смолой (AF). Исследование показало, что композитные сепараторы PE@AF снижают термическую усадку с более чем 77% до всего лишь 6% при температуре 145°C, а ионная проводимость увеличивается в 3 раза по сравнению с немодифицированными полиэтиленовыми пленками. Другими словами, аккумуляторы могут сохранять емкость и эффективность даже при более высоких температурах и длительном цикле работы.
Такие инновации, как активный сепаратор от Natrion, отличаются от пассивных полиолефиновых пленок. Эти сепараторы активно участвуют в переносе ионов, не полагаясь на жидкие электролиты. Использование технологии литиево-ионно-твердого композита расширяет диапазон рабочих температур и снижает риск возгорания за счет ограничения процессов разрушения, например, распространения дендритов.
Внутренние контрольные испытания показали, что этот аккумуляторный сепаратор для электромобилей обеспечивает производительность 450 Вт*ч/кг в многослойных литий-металлических аккумуляторах. В литий-ионных аккумуляторах те же испытания показали увеличение эффективной плотности энергии на 10-15%. Преимущества достигаются за счет увеличения полезной разрядной емкости и снижения зависимости от жидких электролитов. Эти достижения указывают на более высокую плотность энергии и более безопасные аккумуляторы, что является двумя важнейшими приоритетами, поскольку автомобилям требуется больший запас хода и более быстрая зарядка.
Технологии соединения и будущее сборки аккумуляторных батарей
Технология разделения не существует изолированно. Она является неотъемлемой частью более широкой архитектуры аккумуляторных батарей. То, как интегрирован барьер, будь то склеенный или механически закрепленный, не только влияет на стоимость сборки и безопасность, но и имеет решающее значение для возможности вторичной переработки. Это особенно важно, учитывая, что, несмотря на то, что литий сам по себе может быть полностью использован повторно, в настоящее время во всем мире в промышленности восстанавливается менее 1% лития, что подчеркивает важную проблему экологичности, связанную с проектированием и переработкой по истечении срока службы.
Инженеры, стремящиеся снизить массу электромобильных платформ, отдают предпочтение клеевым системам. С ростом популярности экологически чистых транспортных средств возрастает спрос на аккумуляторные батареи, которые обеспечивают эффективность, долговечность и увеличенный радиус действия. Связующие вещества теперь занимают центральное место, поскольку они заменяют традиционные механические крепления и снижают общий вес упаковки.
Соединения с защелкиванием становятся все более популярными в качестве альтернативы, поскольку легкий пластик также уменьшает вес и обеспечивает обратимость. Кроме того, для точного и чистого соединения по сравнению с традиционными методами сварки используются лазерная и ультразвуковая сварка.
Динамика мирового рынка
Японская компания Asahi Kasei демонстрирует стремление к равновесию, с которым сталкиваются производители на современном автомобильном рынке. Некогда доминировавшие на рынке сепараторных пленок японские фирмы теперь конкурируют с китайскими производителями, доля которых на мировом рынке выросла с чуть более половины до трех четвертей в период с 2018 по 2021 год.
Инвестиции Asahi Kasei в канадский завод стоимостью 1,24 млрд. долларов направлены на завоевание 30% североамериканского рынка за счет внедрения передовых производственных технологий, которые удваивают среднюю производительность в отрасли.
Это подчеркивает тенденцию к географической диверсификации в сочетании с инвестициями в технологии, направленную как на региональный рост электромобилей, так и на регулирование, особенно на рынках, стремящихся исключить китайские цепочки поставок.
Эти изменения показывают важность устойчивости цепочек поставок и инновационных материалов при выборе компонентов для аккумуляторов. Выбор материала сепаратора и поставщика будет влиять не только на технические характеристики, но и на соответствие требованиям и структуру затрат.
Что будет дальше с аккумуляторными сепараторами для электромобилей?
Рынок аккумуляторов для электромобилей так же динамичен, как и сама отрасль. Ожидается постоянный прогресс по нескольким направлениям, поскольку международная борьба за доминирование на рынке усиливается:
- Инновационные материалы: композитные пленки и активные сепараторы с высокой плотностью энергии
- Усовершенствование производства: стратегии клеевого соединения и прецизионные защелкивающиеся конструкции для упрощения сборки
- Ориентация на экологичность: принципы проектирования для вторичной переработки, при этом термопластичные сепараторы предпочтительнее термореактивных альтернатив.
- Региональные инвестиции: стратегическое расположение заводов и партнерские отношения, такие как канадский завод Asahi Kasei с Honda и Toyota Tsusho, для формирования цепочек поставок.
Понимание этих нюансов позволяет инженерам, работающим в области силовой электроники, лучше выбирать компоненты. Сепаратор, о котором часто забывают, заслуживает более пристального внимания – он буквально отделяет успех от неудачи в разработке электромобильных аккумуляторов.
Тонкий пластик, который обеспечивает подачу энергии
Пластик часто пользуется дурной славой, но идеально вырезанный кусок полимера, из которого изготовлен аккумуляторный сепаратор для электромобилей, является основой революции в области экологически чистой энергетики. Он обеспечивает баланс между безопасностью и производительностью. Этот небольшой, но жизненно важный компонент способствует созданию более чистых и долговечных аккумуляторов.
