Η σημασία των πλαστικών για τη λειτουργία αποθήκευσης ενέργειας των μπαταριών

Τα ηλεκτρόδια μιας μπαταρίας πρέπει να είναι μονωμένα μεταξύ τους για να αποφεύγονται τα βραχυκυκλώματα. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται συχνά επιστρώσεις από πολυμερή όπως το φθοριούχο πολυβινυλίδιο (PVDF) ή το πολυαιθυλένιο (PE). Τα υλικά αυτά είναι ηλεκτρικά μονωτικά και διαθέτουν υψηλή χημική αντοχή για την προστασία των ηλεκτροδίων από τη διάβρωση, για παράδειγμα, που προκαλείται από τον ηλεκτρολύτη.

Ένα συνδετικό υλικό βοηθά στη συγκράτηση του ενεργού υλικού (όπως το οξείδιο του μετάλλου ή ο γραφίτης) στο ηλεκτρόδιο, ώστε να διασφαλίζεται η ακεραιότητα και η σταθερότητα κατά τη διάρκεια του κύκλου. Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου και στις κυψέλες καυσίμου εφαρμόζεται συχνά το PVDF, καθώς έχει καλή πρόσφυση στα ηλεκτρόδια καθώς και υψηλή μηχανική αντοχή ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Στις κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται επίσης το πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) και το οξείδιο του πολυφαινυλενίου (PPO) λόγω του χαμηλού συντελεστή τριβής τους. Στις μπαταρίες οξειδοαναγωγικής ροής χρησιμοποιείται πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), καθώς συμβάλλει όχι μόνο στην καλή πρόσφυση αλλά και στη σταθεροποίηση των ηλεκτροδίων.

Οι διαχωριστές είναι φιλμ ή μεμβράνες που τοποθετούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων σε μια μπαταρία για την αποφυγή βραχυκυκλωμάτων. Πρέπει να έχουν υψηλή διαπερατότητα για τα ιόντα, ώστε να επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρολύτη, αλλά να είναι αδιαπέρατοι για τα ηλεκτρόνια. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται συχνά πλαστικές μεμβράνες από πολυπροπυλένιο (PP) ή πολυαιθυλένιο (PE), οι οποίες έχουν υψηλή μηχανική αντοχή και καλές μονωτικές ιδιότητες, ενώ παράλληλα παρέχουν αποτελεσματική μόνωση έναντι των ηλεκτρονίων. Στην ξηρή διαδικασία, το PVDF εφαρμόζεται ως επίστρωση σε μη υφασμένο ύφασμα από συνθετικές ίνες και λιώνει και πιέζεται υπό πίεση σε υψηλή θερμοκρασία. Εκτός από την ξηρή διαδικασία, η πολυσουλφόνη (PS) έρχεται στο προσκήνιο στην υγρή διαδικασία, κατά την οποία ένα διάλυμα εφαρμόζεται σε ένα πλαστικό μη υφασμένο ύφασμα. Η υγρή διαδικασία οδηγεί σε διαχωριστές με υψηλότερο πορώδες και πιο ομοιογενές μέγεθος και κατανομή πόρων. Είναι επίσης λεπτότεροι αλλά λιγότερο σταθεροί από τους διαχωριστές που παράγονται με την ξηρή διαδικασία.

Το περίβλημα μιας μπαταρίας πρέπει να παρέχει μηχανική σταθερότητα και ηλεκτρική μόνωση για την προστασία των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Εδώ χρησιμοποιούνται συχνά πλαστικά όπως το ακρυλονιτρίλιο-βουταδιένιο-στυρένιο (ABS) ή το πολυκαρβονικό (PC), καθώς έχουν υψηλή αντοχή και αντοχή σε κρούση και προστατεύουν τη μπαταρία από βλάβες που προκαλούνται από περιβαλλοντικές επιδράσεις ή ηλεκτρικά πεδία.

Στις κυψέλες καυσίμου, τα υπερφθοριωμένα ιονομερή χρησιμοποιούνται ως μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων (PEM). Αυτά τα πλαστικά διαθέτουν υψηλή αγωγιμότητα πρωτονίων και καλή χημική και θερμική σταθερότητα, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για χρήση σε κυψέλες καυσίμου. Οι PEM πρέπει να έχουν υψηλή διαπερατότητα αερίων που επιτρέπει τη μεταφορά οξυγόνου και υδρογόνου. Στις μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής χρησιμοποιούνται μεμβράνες ανταλλαγής ιόντων από πολυσουλφόνη ή πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC). Αυτά τα πλαστικά έχουν καλή ικανότητα ανταλλαγής ιόντων και υψηλή χημική σταθερότητα, γεγονός που τα καθιστά ιδανική χρήση σε επιθετικούς ηλεκτρολύτες. Οι μεμβράνες πρέπει επίσης να έχουν υψηλή μηχανική αντοχή για να αντέχουν τη ροή του ρευστού στη μπαταρία. Μια σημαντική διαφορά μεταξύ των μεμβρανών και στις δύο εφαρμογές είναι η λειτουργικότητά τους. Στις κυψέλες καυσίμου, οι PEM χρησιμεύουν ως ηλεκτρολυτικές μεμβράνες, διαχωρίζοντας την άνοδο και την κάθοδο και επιτρέποντας τη ροή πρωτονίων ώστε να είναι δυνατή η ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Στις μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής, οι μεμβράνες ανταλλαγής ιόντων διαχωρίζουν τα διαλύματα ηλεκτρολύτη και επιτρέπουν τη ροή ιόντων μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων.