Separador cerámico: el guardián de la seguridad de las baterías de estado sólido
1. ¿Por qué se necesita un separador cerámico?
Los separadores líquidos tradicionales de baterías (como los de PE/PP) son propensos a fundirse y contraerse a altas temperaturas, lo que provoca cortocircuitos entre los electrodos positivo y negativo. Por ejemplo, los electrolitos líquidos utilizados en las baterías de litio tradicionales presentan riesgos de inflamabilidad y fugas.
Si bien las baterías de estado sólido utilizan electrolitos de estado sólido, aún presentan una alta impedancia interfacial y el riesgo de penetración de dendritas de litio. Por el contrario, la introducción de separadores cerámicos soluciona estos problemas mediante las siguientes características:
(1)Resistencia a altas temperaturas: Los materiales cerámicos (como alúmina y boehmita) generalmente tienen un punto de fusión superior a 1500 °C y pueden soportar altas temperaturas superiores a 300 °C sin fallar, lo que garantiza que la batería permanezca segura y estable en entornos extremos.
(2)Resistencia a la perforación: Las partículas cerámicas tienen una alta dureza (la boehmita tiene una dureza Mohs de 3,5), lo que puede impedir eficazmente que las dendritas de litio las perforen.
(3)Estabilidad química: Compatible con electrolitos de estado sólido, evita reacciones secundarias y prolonga significativamente la vida útil de la batería.
(4)Compuesto funcional: Algunos materiales cerámicos (como el LATP) también presentan conductividad iónica, lo que puede optimizar la impedancia interfacial. Estas características convierten a los separadores cerámicos en un componente esencial de las baterías de estado sólido.
2. Tipos de materiales y procesos estructurales de los separadores cerámicos
(1) Tipos de materiales:
Cerámica de alúmina, cerámica compuesta, nanocerámica.
(2) Estructuras:
Separadores cerámicos revestidos: Una capa cerámica con un espesor de 500 nm - 4 μm se recubre sobre la superficie de las membranas a base de poliolefina (PE/PP), mejorando la resistencia al calor (resistencia a la temperatura > 200°C).
Separadores cerámicos compuestos: Las partículas cerámicas se combinan con electrolitos poliméricos para formar una red de conducción iónica tridimensional.
Electrolitos de estado sólido totalmente cerámicos: Se utilizan directamente cerámicas de tipo NASICON (como LLZO) o de tipo granate (como LLTO) como separadores, eliminando por completo los electrolitos líquidos.
(3) Procesos:
Proceso de recubrimiento: El recubrimiento por micrograbado con rodillo de huecograbado o el recubrimiento por extrusión con matriz de ranura se utilizan para lograr una cobertura uniforme de la capa cerámica, tanto por una como por ambas caras. Por ejemplo, el espesor del recubrimiento de boehmita se puede controlar con precisión entre 1 y 2 μm, equilibrando la seguridad y la densidad energética.
Tecnología de sinterización: Se emplea sinterización a alta temperatura (800-1200 °C) para unir firmemente las partículas cerámicas con la membrana base, formando una capa densa.
Regulación de la interfaz: se introducen películas SEI artificiales o conductores de iones rápidos (como LiTFSI) entre la capa cerámica y el electrodo para reducir la impedancia interfacial.