أهمية المواد البلاستيكية لوظيفة تخزين الطاقة في البطاريات

يجب أن تكون الأقطاب الكهربائية في البطارية معزولة عن بعضها البعض لتجنب حدوث دوائر قصيرة. لهذا الغرض، غالبًا ما يتم استخدام الطلاءات المصنوعة من البوليمرات مثل البولي فينيل الدين فلوريد (PVDF) أو البولي إيثيلين (PE). هذه المواد عازلة كهربائيًا وتتميز بمقاومة كيميائية عالية لحماية الأقطاب الكهربائية من التآكل، على سبيل المثال، الناجم عن الإلكتروليت.

تساعد المادة الرابطة على تثبيت المادة النشطة (مثل أكسيد الفلز أو الجرافيت) معًا في القطب الكهربائي لضمان السلامة والاستقرار أثناء الدورة. في بطاريات الليثيوم أيون وخلايا الوقود، غالبًا ما يتم استخدام PVDF لأنه يتميز بالالتصاق الجيد بالأقطاب الكهربائية بالإضافة إلى القوة الميكانيكية العالية حتى في درجات الحرارة المرتفعة. في خلايا الوقود، يُستخدم بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) وأكسيد البولي فينيلين (PPO) أيضًا بسبب معامل الاحتكاك المنخفض. في بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال، يتم استخدام البولي أكريلونيتريل (PAN) لأنه لا يساهم فقط في الالتصاق الجيد ولكن أيضًا في تثبيت الأقطاب الكهربائية.

الفواصل هي عبارة عن أغشية أو أغشية توضع بين الأقطاب الكهربائية في البطارية لمنع حدوث دوائر قصيرة. يجب أن يكون لها نفاذية عالية للأيونات للسماح بتدفق الإلكتروليت ولكن يجب أن تكون غير منفذة للإلكترونات. وغالبًا ما تستخدم الأغشية البلاستيكية المبثوقة المصنوعة من البولي بروبيلين (PP) أو البولي إيثيلين (PE) لهذا الغرض، والتي تتمتع بقوة ميكانيكية عالية وخصائص عزل جيدة، مع توفير عزل فعال ضد الإلكترونات. في العملية الجافة، يتم تطبيق PVDF كطلاء على قماش غير منسوج مصنوع من الألياف الاصطناعية ويتم صهره وضغطه تحت ضغط عند درجة حرارة عالية. وبالإضافة إلى العملية الجافة، يتم استخدام البولي سلفون (PS) في العملية الرطبة، حيث يتم تطبيق محلول على قماش بلاستيكي غير منسوج. ينتج عن العملية الرطبة فواصل ذات مسامية أعلى وحجم مسام وتوزيع أكثر تجانسًا. كما أنها أرق ولكن أقل صلابة من الفواصل التي تنتجها العملية الجافة.

يجب أن يوفر غلاف البطارية ثباتًا ميكانيكيًا وعزلًا كهربائيًا لحماية الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت. وغالباً ما يتم استخدام المواد البلاستيكية مثل أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) أو البولي كربونات (PC) هنا لأنها تتمتع بقوة عالية ومقاومة للصدمات وتحمي البطارية من التلف الناجم عن التأثيرات البيئية أو المجالات الكهربائية.

في خلايا الوقود، تُستخدم الأيونات المشبعة بالفلور كأغشية تبادل البروتونات (PEM). وتتميز هذه المواد البلاستيكية بموصلية عالية للبروتونات وثبات كيميائي وحراري جيد، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في خلايا الوقود. يجب أن تتمتع أغشية التبادل البروتوني بنفاذية غاز عالية تسمح بنقل الأكسجين والهيدروجين. في بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال، يتم استخدام أغشية التبادل الأيوني المصنوعة من البولي سلفون أو كلوريد البوليفينيل (PVC). وتتمتع هذه المواد البلاستيكية بقدرة جيدة على التبادل الأيوني وثبات كيميائي عالٍ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الشوارد العدوانية. يجب أن تتمتع الأغشية أيضًا بقوة ميكانيكية عالية لتحمل تدفق السوائل في البطارية. ويتمثل الفرق الكبير بين الأغشية في كلا التطبيقين في وظائفها. في خلايا الوقود، تعمل أغشية التبادل الأيوني الكهروضوئي كأغشية إلكتروليتية، حيث تفصل بين القطب الموجب والكاثود وتسمح بتدفق البروتون لتمكين تدفق التيار الكهربائي. في بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال، تفصل أغشية التبادل الأيوني بين محاليل الإلكتروليت وتسمح بتدفق الأيونات بين القطبين.