1. Pourquoi un séparateur en céramique est-il nécessaire ?
Les séparateurs liquides traditionnels pour batteries (comme le PE/PP) ont tendance à fondre et à se rétracter à haute température, ce qui provoque des courts-circuits entre les électrodes positive et négative. Par exemple, les électrolytes liquides utilisés dans les batteries au lithium classiques présentent des risques d'inflammabilité et de fuite.
Bien que les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides, elles souffrent toujours d'une impédance interfaciale élevée et du risque de pénétration de dendrites de lithium. En revanche, l'introduction de séparateurs en céramique permet de remédier à ces problèmes grâce aux caractéristiques suivantes :
(1) Résistance aux hautes températures :Les matériaux céramiques (tels que l'alumine et la boehmite) ont généralement un point de fusion supérieur à 1 500 °C et peuvent résister à des températures élevées supérieures à 300 °C sans défaillance, garantissant ainsi que la batterie reste sûre et stable dans des environnements extrêmes.
(2) Résistance à la perforation :Les particules de céramique ont une dureté élevée (la boehmite a une dureté Mohs de 3,5), ce qui peut efficacement empêcher les dendrites de lithium de percer.
(3) Stabilité chimique :Compatible avec les électrolytes solides, il évite les réactions secondaires et prolonge considérablement la durée de vie de la batterie.
(4) Composite fonctionnel :Certains matériaux céramiques (comme le LATP) présentent également une conductivité ionique, ce qui permet d'optimiser l'impédance interfaciale. Ces caractéristiques font des séparateurs céramiques un composant essentiel des batteries à l'état solide.
2. Types de matériaux et procédés de fabrication des séparateurs céramiques
(1) Types de matériaux :
Céramiques d'alumine, céramiques composites, nanocéramiques.
(2) Structures :
Séparateurs en céramique revêtus : Une couche de céramique d'une épaisseur de 500 nm - 4 μm est déposée sur la surface des membranes à base de polyoléfine (PE/PP), améliorant la résistance à la chaleur (résistance à la température > 200°C).
Séparateurs céramiques composites : des particules de céramique sont associées à des électrolytes polymères pour former un réseau de conduction ionique tridimensionnel.
Électrolytes solides entièrement céramiques : les céramiques de type NASICON (telles que LLZO) ou de type grenat (telles que LLTO) sont directement utilisées comme séparateurs, éliminant complètement les électrolytes liquides.
(3) Processus :
Procédé de revêtement : Le revêtement par gravure micrométrique ou par extrusion à filière permet d’obtenir un revêtement uniforme sur une ou deux faces de la couche céramique. Par exemple, l’épaisseur du revêtement de boehmite peut être contrôlée avec précision à 1-2 µm, assurant un équilibre optimal entre sécurité et densité énergétique.
Technologie de frittage : Le frittage à haute température (800-1200°C) est utilisé pour lier étroitement les particules de céramique à la membrane de base, formant une couche dense.
Régulation de l'interface : des films SEI artificiels ou des conducteurs ioniques rapides (tels que le LiTFSI) sont introduits entre la couche céramique et l'électrode pour réduire l'impédance interfaciale.