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 la alúmina y la 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 atraviesen.
(3) Estabilidad química:Compatible con electrolitos de estado sólido, evita reacciones secundarias y prolonga significativamente la vida útil de la batería.
(4) Compositividad funcional:Algunos materiales cerámicos (como el LATP) también presentan conductividad iónica, lo que permite 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: Las cerámicas de tipo NASICON (como LLZO) o de tipo granate (como LLTO) se utilizan directamente como separadores, eliminando por completo los electrolitos líquidos.
(3) Procesos:
Proceso de recubrimiento: Se utiliza el recubrimiento por micrograbado con rodillo de huecograbado o el recubrimiento por extrusión con matriz de ranura para lograr una cobertura uniforme de la capa cerámica por una o dos 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.