Seiring dengan perkembangan teknologi canggih yang berkelanjutan, bubuk dan produk keramik canggih telah menjadi material kunci dan penghambat dalam bidang-bidang teknologi tinggi tertentu. Dalam hal ini, industri baterai lithium, Beberapa material keramik memainkan peran penting dalam rantai produksinya. Material ini dapat langsung berfungsi sebagai elektroda atau material pemisah, digunakan sebagai material pengemas, atau bertindak sebagai material pembantu dalam proses produksi. Pasar material keramik ini telah berkembang pesat karena permintaan dari sektor baterai lithium. Hari ini, mari kita lihat lebih dekat material keramik mana saja yang berperan penting. bahan keramik diperlukan untuk memproduksi baterai lithium.
Baterai lithium-ion terutama terdiri dari lima bagian: material katoda, material anoda, pemisah, elektrolit, dan material kemasan. Di antara kelima bagian tersebut, pemisah merupakan bagian yang paling menantang secara teknis. bahan baterai, dengan biayanya mencapai 10% hingga 14%, yang merupakan biaya terbesar kedua setelah material katoda. Pada baterai kelas atas, biaya separator bahkan bisa mencapai 20%.
Kelemahan Separator Tradisional
Separator baterai lithium-ion yang dikomersialkan sebagian besar berupa membran mikropori yang terbuat dari polietilen (PE) atau polipropilen (PP). Separator poliolefin ini memiliki beberapa kekurangan. Di satu sisi, ketika suhu eksternal mencapai atau melebihi titik leleh separator, separator dapat menyusut atau meleleh, yang menyebabkan pelarian termal internal atau korsleting pada baterai. Oleh karena itu, menjaga ukuran dan bentuk separator sangat penting untuk meningkatkan keamanan baterai. Di sisi lain, karena polaritas separator poliolefin tidak sesuai dengan elektrolit organik, separator memiliki kemampuan pembasahan yang buruk dengan elektrolit, yang berarti bahwa selama siklus pengisian-pengosongan berulang, kemampuan separator untuk menahan elektrolit non-air lemah, sehingga memengaruhi kinerja siklus baterai.
Keunggulan Separator Keramik dan Material yang Representatif
Saat ini, pemisah keramik dapat dibagi menjadi dua kategori berdasarkan metode pembuatannya. Salah satu metode melibatkan penggunaan pemisah poliolefin tradisional atau kain nonwoven sebagai membran dasar. Lapisan keramik lapisan Kemudian diaplikasikan menggunakan metode seperti pengikatan, pengepresan panas, atau pencangkokan. Metode lainnya melibatkan pencampuran partikel keramik berukuran nano ke dalam bahan organik untuk membuat bubur. Bubur ini kemudian diregangkan menjadi film atau dibuat menjadi kain non-anyaman.
Dengan meluasnya penggunaan tablet dan kendaraan listrik, pemisah poliolefin tradisional tidak lagi dapat memenuhi persyaratan tegangan tinggi dan kepadatan energi tinggi. Hal ini disebabkan oleh kinerja yang buruk dalam hal ketahanan terhadap tekanan tinggi dan suhu tinggi. Dengan menggunakan teknologi pelapisan pemisah, lapisan keramik dapat mencegah titik pelarian termal dalam baterai dari pemuaian. Ini memastikan keamanan yang lebih baik. Struktur unik dari material anorganik juga meningkatkan ketahanan pemisah terhadap penyusutan termal. Selain itu, lapisan keramik memiliki sifat hidrofilik. Sifat-sifat ini meningkatkan penyerapan elektrolit, yang dapat meningkatkan keseragaman distribusi arus di dalam baterai selama siklus pengisian dan pengosongan.
Bahan pemisah keramik yang paling banyak dipelajari adalah alumina (Al2O3) dengan kemurnian tinggi dan boehmite (AlOOH).
Alumina dengan Kemurnian Tinggi (Al2O3)
Alumina adalah senyawa dengan kekerasan tinggi dengan titik leleh 2054°C dan titik didih 2980°C. Senyawa ini merupakan kristal berikatan ionik dengan stabilitas termal yang tinggi dan bahan kimia Sifat inertnya menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk lapisan keramik pada pemisah baterai. Keunggulan alumina dengan kemurnian tinggi meliputi:
- Umur Siklus Panjang: Ini mengurangi korsleting mikro mekanis selama proses siklus, sehingga secara efektif meningkatkan umur siklus.
- Kinerja Tingkat TinggiNano alumina dengan kemurnian tinggi dapat membentuk larutan padat dalam baterai lithium, sehingga meningkatkan kinerja laju dan stabilitas siklus.
- Konduktivitas Termal yang Sangat BaikNano alumina dengan kemurnian tinggi memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, yang membantu mentransfer panas ketika suhu baterai meningkat, sehingga mengatasi masalah konduktivitas termal yang buruk pada material PP/PE.
- Kemampuan Pembasahan yang BaikSerbuk nano alumina memiliki kapasitas penyerapan dan retensi elektrolit yang baik.
- Ketahanan Api yang Sangat BaikAlumina adalah bahan tahan api yang sangat baik. Bahkan pada suhu tinggi, sifat tahan apinya yang unggul dapat mencegah pembakaran yang meluas atau bahkan ledakan.
- Pemblokiran Saat IniDalam kasus arus berlebih, alumina dengan kemurnian tinggi dapat memblokir arus, mencegah korsleting yang mungkin terjadi akibat panas berlebih yang menyebabkan pemisah meleleh.
Boehmite (AlOOH)
Boehmite murni berwarna putih, dengan struktur kristal monoklinik, termasuk dalam sistem kristal ortorombik. Kekerasan Mohs-nya adalah 3-3,5 dan berat jenisnya 3,0-3,07. Boehmite merupakan prekursor γ-Al2O3 dan digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti material keramik, material komposit, lapisan pelindung permukaan, material optik, katalis, dan material semikonduktor.
Dibandingkan dengan alumina, boehmite memiliki keunggulan sebagai berikut:
- Kekerasan Lebih RendahBoehmite memiliki kekerasan yang lebih rendah, yang mengurangi keausan mekanis selama proses pemotongan dan pelapisan, sehingga lebih hemat biaya dibandingkan alumina dengan kemurnian tinggi.
- Ketahanan Panas TinggiBoehmite memiliki stabilitas termal yang sangat baik dan kompatibilitas yang baik dengan bahan organik.
- Kepadatan Lebih Rendah: Dengan berat yang sama, boehmite dapat menutupi area 25% lebih luas daripada alumina.
- Keseragaman Lapisan yang Lebih BaikLapisan boehmite lebih seragam, sehingga menghasilkan resistansi internal yang lebih rendah.
- Konsumsi Energi Lebih RendahProses produksi boehmite lebih hemat energi dan ramah lingkungan.
- Penyerapan Air Lebih RendahBoehmite hanya menyerap setengah air dibandingkan alumina dengan kemurnian tinggi.
- Produksi yang Lebih SederhanaPembuatan boehmite lebih sederhana daripada pembuatan alumina dengan kemurnian tinggi, yang membutuhkan kalsinasi, penggilingan, dan pemilahan.
- Lebih Mudah Diganti: Beralih ke boehmite tidak memerlukan perubahan signifikan pada peralatan atau proses pabrikan separator, dan menyebabkan kerusakan yang lebih sedikit pada peralatan.
Aditif Katoda – Zirkonium Oksida (ZrO2)
Penerapan produk zirkonium oksida (ZrO2) skala nano di sektor energi baru semakin meluas, dengan semakin banyak desain baterai lithium yang menggabungkan bubuk zirkonium oksida sebagai aditif katoda untuk menstabilkan kinerja baterai dan meningkatkan masa pakai siklus. Mengambil contoh nikel-kobalt-mangan lithium (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), mari kita periksa bagaimana zirkonium oksida skala nano memengaruhi kinerja material katoda.
Efek Struktural
Analisis difraksi sinar-X (XRD) dari LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 yang didoping dengan ZrO2 menunjukkan bahwa penambahan ZrO2 tidak mengubah struktur keseluruhan material, yang mempertahankan struktur berlapis heksagonal tipe α-NaFeO2 yang khas dari material tersebut.
Efek Morfologis
Seiring peningkatan kadar doping ZrO2, ukuran partikel primer berkurang dari partikel blok teratur berukuran 200–400 nm menjadi agregat padat berukuran 100–200 nm. Partikel besar yang terbentuk akibat aglomerasi partikel primer berkurang menjadi 1–2 μm. Bentuk bulat partikel menjadi kurang jelas dengan adanya doping, yang mempermudah difusi ion litium.
Efek Elektrokimia
Penelitian menunjukkan bahwa material yang didoping ZrO2 menunjukkan kapasitas pelepasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 asli. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh ukuran yang lebih kecil. ukuran partikel, yang mengurangi jalur difusi ion litium dan meningkatkan kinerja elektrokimia. Selain itu, ion Zr4+ dapat bermigrasi ke permukaan dan membentuk larutan padat, yang membantu mencegah keruntuhan struktural selama siklus pengisian-pengosongan dan juga melindungi material dari pelarutan kobalt, sehingga meningkatkan stabilitas siklus.
Sintering Material Katoda – Peralatan Tungku Keramik
Seiring meningkatnya permintaan baterai kendaraan listrik, permintaan akan material katoda pun melonjak, mendorong produsen tungku domestik untuk meningkatkan peralatan produksi mereka. Material seperti keramik silikon karbida dan keramik kordierit-mullit mengalami peningkatan permintaan yang signifikan.
Pelat Pendorong
Pelat pendorong yang umum digunakan terbuat dari silikon karbida dan korundum-mullit, dengan pelat silikon karbida terutama digunakan untuk tungku suhu rendah. Namun, oksidasi pada suhu di atas 1300°C membatasi penerapannya.
Cawan lebur
Dalam hal wadah peleburan, berbagai material digunakan untuk sinterisasi material katoda. Wadah peleburan kordierit-mullit banyak digunakan di sektor material katoda baterai litium karena ketahanan terhadap guncangan termal yang sangat baik dan efektivitas biaya.
Roller
Roller yang digunakan dalam tungku roller, yang umumnya digunakan dalam proses sintering material katoda baterai lithium-ion, harus mampu menahan suhu tinggi dan tahan terhadap deformasi creep. Material yang umum digunakan untuk roller keramik meliputi korundum, aluminosilikat, silika leburan, dan silikon karbida.
Bahan Keramik Baterai Lithium Lainnya
Selain itu, bubuk atau produk keramik lainnya juga digunakan dalam pembuatan atau perakitan baterai lithium. Misalnya, alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi digunakan sebagai aditif katoda, berperan dalam pelapisan dan doping. Bubuk mikro silikon karbida dapat dikombinasikan dengan grafit, nanotube karbon, atau nano-titanium nitrida untuk membentuk material anoda. Kombinasi ini meningkatkan kapasitas dan umur baterai. Dalam proses penyegelan baterai lithium, cincin keramik elektronik merupakan komponen penting. Cincin ini juga dikenal sebagai "konektor penyegelan keramik baterai daya tipe baru." Cincin ini membentuk sambungan konduktif yang tersegel antara penutup baterai dan kutub pada kendaraan listrik.
Kesimpulan
Dengan terus berkembangnya teknologi dan material canggih, kemungkinan besar akan semakin banyak material keramik baterai lithium yang diaplikasikan dalam baterai lithium dan seluruh sektor energi baru di masa mendatang.
Terima kasih sudah membaca. Semoga artikel saya bermanfaat. Silakan tinggalkan komentar di bawah. Anda juga bisa menghubungi perwakilan pelanggan Zelda online untuk pertanyaan lebih lanjut.
— Diposting oleh Emily Chen