miniaturadeimagen|267x267px|Diagrama de una batería con un separador de polímero Un separador es una membrana permeable colocada entre el ánodo y el cátodo de una batería. La función principal de un separador es mantener separados los dos electrodos para evitar cortocircuitos eléctricos y, al mismo tiempo, permitir el transporte de portadores de carga iónica que se necesitan para cerrar el circuito durante el paso de corriente en una celda electroquímica.
Los separadores son componentes críticos en las baterías de electrolito líquido. Un separador generalmente consta de una membrana polimérica que forma una capa microporosa. Debe ser química y electroquímicamente estable con respecto a los materiales del electrolito y los electrodos y lo suficientemente fuerte mecánicamente para soportar la alta tensión durante la construcción de la batería. Son importantes para las baterías porque su estructura y propiedades afectan considerablemente a su rendimiento, incluidas las densidades de energía y potencia, la vida útil y la seguridad.
Historia A diferencia de muchas otras tecnologías, los separadores poliméricos no se desarrollaron específicamente para las baterías. Por eso la mayoría no están optimizados para los sistemas en los que se utilizan. Aunque esto pueda parecer desfavorable, la mayoría de los separadores poliméricos pueden fabricarse en serie a bajo coste, porque se basan en formas de tecnologías ya existentes. Yoshino y sus colaboradores de Asahi Kasei los desarrollaron por primera vez para un prototipo de baterías secundarias de iones de litio (LIB) en 1983. miniaturadeimagen|Esquema de una batería de iones de litio Inicialmente, se utilizó óxido de cobalto de litio como cátodo y poliacetileno como ánodo. Más tarde, en 1985, se descubrió que el uso del óxido de cobalto y litio como cátodo y grafito como ánodo producía una excelente batería secundaria con mayor estabilidad, empleando la teoría de la frontera electrónica de Kenichi Fukui. Esto permitió el desarrollo de dispositivos portátiles, como teléfonos celulares y computadoras portátiles. Sin embargo, antes de que las baterías de iones de litio pudieran producirse en masa, era necesario abordar problemas de seguridad, como el sobrecalentamiento y el sobrepotencial. Una clave para garantizar la seguridad fue el separador entre el cátodo y el ánodo. Yoshino desarrolló un separador de membrana depolietileno microscopio con función de "fusible". En el caso de una generación anormal de calor dentro de la celda de la batería, el separador proporciona un mecanismo de apagado. Los microporos se cierran por fusión y termina el flujo iónico. En 2004, Denton y sus coautores propusieron por primera vez un nuevo separador de polímero electroactivo con la función de protección contra sobrecargas. Este tipo de separador cambia reversiblemente entre los estados aislante y conductor. Los cambios en el potencial de carga impulsan el interruptor. Más recientemente, los separadores proporcionan principalmente transporte de carga y separación de electrodos.
Materiales Los materiales incluyen fibras no tejidas (algodón, nailon, poliéster, vidrio), películas de polímeros (polietileno, polipropileno, poli (tetrafluoroetileno), cloruro de polivinilo), cerámica y sustancias naturales (caucho, amianto, madera). Algunos separadores emplean materiales poliméricos con poros de menos de 20 Å, generalmente demasiado pequeños para las pilas. Para su fabricación se utilizan procesos tanto secos como húmedos
Los no tejidos consisten en una lámina, red o estera fabricada de fibras orientadas direccional o aleatoriamente.
Las membranas líquidas soportadas consisten en una fase sólida y líquida contenida dentro de un separador microporoso.
Algunos electrolitos poliméricos forman complejos con sales de metales alcalinos, que producen conductores iónicos que sirven como electrolitos sólidos.
Los conductores de iones sólidos pueden servir como separador y como electrolito.
Los separadores pueden usar una o varias capas/hojas de material.
Producción Los separadores poliméricos se fabrican generalmente con membranas poliméricas microporosas. Estas membranas suelen fabricarse a partir de diversos materiales inorgánicos, orgánicos y naturales. El tamaño de los poros suele ser superior a 50-100 Å.
Los procesos secos y húmedos son los métodos de producción de separación más comunes para membranas poliméricas. Las porciones de extrusión y estiramiento de estos procesos inducen la porosidad y pueden servir como un medio de refuerzo mecánico.
Las membranas sintetizadas mediante procesos secos son más adecuadas para una mayor densidad de potencia, dada su estructura de poros abierta y uniforme, mientras que las fabricadas mediante procesos húmedos ofrecen más ciclos de carga/descarga debido a su estructura de poros tortuosa e interconectada. Esto ayuda a suprimir la conversión de portadores de carga en cristales en los ánodos durante la carga rápida o a baja temperatura.
Proceso en seco El proceso en seco implica etapas de extrusión, recocido y estirado. La porosidad final depende de la morfología de la película precursora y de las particularidades de cada paso. La etapa de extrusión suele realizarse a una temperatura superior al punto de fusión de la resina polimérica. Esto se debe a que las resinas se funden para darles forma en una película tubular con orientación uniaxial, denominada película precursora. La estructura y la orientación de la película precursora dependen de las condiciones de transformación y de las características de la resina. En el proceso de recocido, el precursor se recuece a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polímero. El objetivo de este paso es mejorar la estructura cristalina. Durante el estiramiento, la película recocida se deforma a lo largo de la dirección de la máquina mediante un estiramiento en frío seguido de un estiramiento en caliente seguido de relajación. El estiramiento en frío crea la estructura de poros al estirar la película a una temperatura más baja con una velocidad de deformación más rápida. El estiramiento en caliente aumenta el tamaño de los poros utilizando una temperatura más alta y una velocidad de deformación más lenta. La fase de relajación reduce la tensión interna de la película.
El proceso seco solo es adecuado para polímeros con alta cristalinidad. Estos incluyen, entre otros: poliolefinas semicristalinas, polioximetileno y poli (4-metil-1-penteno) isotáctico. También se pueden usar mezclas de polímeros inmiscibles, en las que al menos un polímero tiene una estructura cristalina, tales como mezclas de polietileno- polipropileno, poliestireno-polipropileno y poli(tereftalato de etileno)-polipropileno.
Microestructura seca Tras su procesamiento, los separadores formados a partir del proceso en seco poseen una microestructura porosa. Aunque los parámetros específicos de procesado (como la temperatura y la velocidad de laminado) influyen en la microestructura final, por lo general, estos separadores tienen poros alargados en forma de hendidura y finas fibrillas que corren paralelas a la dirección de la máquina. Estas fibrillas conectan regiones más grandes de polímero semicristalino, que discurren perpendiculares a la dirección de la máquina.
Proceso húmedo El proceso húmedo consta de pasos de mezcla, calentamiento, extrusión, estiramiento y eliminación de aditivos. Las resinas poliméricas se mezclan primero con aceite de parafina, antioxidantes y otros aditivos. La mezcla se calienta para producir una solución homogénea. La solución calentada se empuja a través de un troquel de hoja para hacer una película similar a un gel. Luego, los aditivos se eliminan con un solvente volátil para formar el resultado microporoso. Este resultado microporoso se puede estirar uniaxialmente (a lo largo de la dirección de la máquina) o biaxialmente (a lo largo de la dirección de la máquina y transversal, proporcionando una mayor definición de los poros.
El proceso húmedo es adecuado tanto para polímeros cristalinos como amorfos. Los separadores de proceso húmedo a menudo usan polietileno de ultra alto peso molecular. El uso de estos polímeros permite que las baterías tengan propiedades mecánicas favorables, mientras se apagan cuando se calientan demasiado.
Microestructura húmeda Cuando se someten a estiramiento biaxial, los separadores formados a partir del proceso húmedo tienen poros redondeados. Estos poros están dispersos a lo largo de una matriz polimérica interconectada.
Elección de polímero miniaturadeimagen| La estructura química del polipropileno. miniaturadeimagen| La estructura química del polietileno. Los tipos específicos de polímeros son ideales para los diferentes tipos de síntesis. La mayoría de los polímeros que se utilizan actualmente en los separadores de baterías son materiales a base de poliolefinas con estructura semicristalina. Entre ellos, se utilizan ampliamente el polietileno, el polipropileno y sus mezclas, como el polietileno-polipropileno. Recientemente, se han estudiado los polímeros injertados para intentar mejorar el rendimiento de las baterías, incluidos los separadores microporosos de polietileno injertado con poli(metacrilato de metilo) y siloxano injertado, que muestran una morfología superficial y unas propiedades electroquímicas favorables en comparación con los separadores de polietileno convencionales. Además, se pueden sintetizar redes de nanofibras de fluoruro de polivinilideno (PVDF) como separador para mejorar tanto la conductividad iónica como la estabilidad dimensional. Otro tipo de separador polimérico, el modificado con politrifenilamina (PTPAn), es un separador electroactivo con protección reversible contra sobrecargas.
Colocación miniaturadeimagen|Vista lateral de una batería El separador siempre se coloca entre el ánodo y el cátodo. Los poros del separador se llenan con el electrolito y se envasan para su uso.
Propiedades esenciales
Estabilidad química El material del separador debe ser químicamente estable frente al electrolito y los materiales del electrodo en los entornos fuertemente reactivos cuando la batería está totalmente cargada. El separador no debe degradarse. La estabilidad se evalúa mediante pruebas de uso. Espesor El separador de una batería debe ser fino para facilitar las densidades de energía y potencia de la batería. Un separador demasiado fino puede comprometer la resistencia mecánica y la seguridad. El grosor debe ser uniforme para soportar muchos ciclos de carga. 25,4μm-(1,0 mil) suele ser el grosor estándar. El espesor de un separador polimérico puede medirse utilizando el método T411 om-83 desarrollado bajo los auspicios de la Asociación Técnica de la Industria de la Pasta y el Papel. Porosidad El separador debe tener una densidad de poros suficiente para retener el electrolito líquido que permite que los iones se muevan entre los electrodos. Una porosidad excesiva dificulta la capacidad de cierre de los poros, que es vital para que el separador pueda apagar una batería sobrecalentada. La porosidad puede medirse utilizando métodos de absorción de líquidos o gases de acuerdo con la norma D-2873 de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM). Normalmente, el separador de una batería de iones de litio presenta una porosidad del 40%. Tamaño de poro El tamaño de los poros debe ser inferior al tamaño de las partículas de los componentes del electrodo, incluidos los materiales activos y los aditivos conductores. Lo ideal es que los poros estén distribuidos uniformemente y que tengan una estructura tortuosa. Esto garantiza una distribución uniforme de la corriente en todo el separador. La distribución y la estructura de los poros pueden analizarse con un porómetro de flujo capilar o un microscopio electrónico de barrido. Permeabilidad