فاصل (كهرباء)

الفاصل عبارة عن غشاء نفاذ يوضع بين قطبي البطارية (الأنود والكاثود ) . وتتمثل وظيفته الرئيسية في إبقاء القطبين منفصلين لمنع حدوث دوائر قصر كهربائية، مع السماح في الوقت نفسه بنقل حاملات الشحنة الأيونية اللازمة لإغلاق الدائرة أثناء مرور التيار في الخلية الكهروكيميائية . ^{[ 1 ]}

تُعدّ الفواصل مكونات أساسية في بطاريات الإلكتروليت السائل . يتكون الفاصل عادةً من غشاء بوليمري يُشكّل طبقة دقيقة المسام. يجب أن يكون مستقرًا كيميائيًا وكهروكيميائيًا تجاه الإلكتروليت ومواد الأقطاب، وأن يتمتع بقوة ميكانيكية كافية لتحمّل الجهد العالي أثناء تصنيع البطارية. تكمن أهمية الفواصل في البطاريات في أن بنيتها وخصائصها تؤثر بشكل كبير على أداء البطارية، بما في ذلك كثافة الطاقة والقدرة، وعمر الدورة، والسلامة. ^{[ 2 ]}

على عكس العديد من التقنيات، لم تُطوَّر فواصل البوليمر خصيصًا للبطاريات، بل كانت نتاجًا لتقنيات موجودة، ولذلك فإن معظمها غير مُحسَّن للأنظمة التي تُستخدم فيها. ورغم أن هذا قد يبدو غير مُفضَّل، إلا أنه يُمكن إنتاج معظم فواصل البوليمر بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة، لأنها تعتمد على تقنيات موجودة. ^{[ 3 ]} وقد طوَّرها يوشينو وزملاؤه في شركة أساهي كاساي لأول مرة لنموذج أولي لبطاريات الليثيوم أيون الثانوية عام 1983.

في البداية، استُخدم أكسيد الليثيوم والكوبالت ككاثود، والبولي أسيتيلين كأنود. لاحقًا، في عام ١٩٨٥، تبيّن أن استخدام أكسيد الليثيوم والكوبالت ككاثود، والجرافيت كأنود، يُنتج بطارية ثانوية ممتازة ذات استقرار مُحسّن، وذلك بتطبيق نظرية الإلكترونات الحدّية لكينيتشي فوكوي. ^{[ ٤ ]} وقد مكّن هذا من تطوير أجهزة محمولة، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. مع ذلك، قبل أن يُصبح إنتاج بطاريات الليثيوم أيون بكميات كبيرة أمرًا ممكنًا، كان لا بد من معالجة مخاوف السلامة، مثل ارتفاع درجة الحرارة والجهد الزائد. وكان أحد المفاتيح الأساسية لضمان السلامة هو الفاصل بين الكاثود والأنود. طوّر يوشينو فاصلًا غشائيًا من البولي إيثيلين ذي مسام دقيقة مزودًا بوظيفة "صمام أمان". ^{[ ٥ ]} في حالة توليد حرارة غير طبيعية داخل خلية البطارية، يُوفّر الفاصل آلية إيقاف تشغيل. تُغلق المسام الدقيقة بالانصهار، ويتوقف تدفق الأيونات. في عام ٢٠٠٤، اقترح دينتون وزملاؤه لأول مرة فاصلًا جديدًا من البوليمرات النشطة كهربائيًا مزودًا بوظيفة الحماية من الشحن الزائد. ^{[ ٦ ]} يتميز هذا النوع من الفواصل بقدرته على التبديل العكسي بين حالتي العزل والتوصيل، حيث تُحفز تغيرات جهد الشحنة هذا التبديل. وفي الآونة الأخيرة، أصبحت الفواصل تُستخدم بشكل أساسي لنقل الشحنة وفصل الأقطاب الكهربائية.

تشمل المواد المستخدمة الألياف غير المنسوجة ( القطن ، والنايلون ، والبوليستر ، والزجاج )، والأغشية البوليمرية ( البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والبولي ( رباعي فلورو الإيثيلين )، وبولي فينيل كلوريد )، والسيراميك ^{[ 7 ]} ، والمواد الطبيعية ( المطاط ، والأسبستوس ، والخشب ). تستخدم بعض الفواصل مواد بوليمرية ذات مسام أصغر من 20 أنغستروم، وهي صغيرة جدًا بالنسبة للبطاريات. وتُستخدم كلتا العمليتين، الجافة والرطبة، في التصنيع. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تتكون الأقمشة غير المنسوجة من طبقة أو شبكة أو حصيرة مصنعة من ألياف موجهة اتجاهياً أو عشوائياً.

تتكون الأغشية السائلة المدعومة من طور صلب وطور سائل موجودين داخل فاصل دقيق المسام.

تشكل بعض الإلكتروليتات البوليمرية مركبات مع أملاح المعادن القلوية ، مما ينتج عنه موصلات أيونية تعمل كإلكتروليتات صلبة.

يمكن أن تعمل الموصلات الأيونية الصلبة كفاصل وكإلكتروليت في آن واحد. ^{[ 10 ]}

يمكن استخدام طبقة واحدة أو عدة طبقات/صفائح من المواد في الفواصل.

تُصنع فواصل البوليمر عمومًا من أغشية بوليمرية دقيقة المسام. وتُصنع هذه الأغشية عادةً من مجموعة متنوعة من المواد غير العضوية والعضوية والطبيعية. ويتراوح حجم المسام عادةً بين 50 و100  أنغستروم.

تُعدّ العمليات الجافة والرطبة أكثر طرق إنتاج الفصل شيوعًا للأغشية البوليمرية. وتُحفّز عمليات البثق والتمديد في هذه العمليات المسامية، ويمكن أن تُستخدم كوسيلة للتقوية الميكانيكية. ^{[ 11 ]}

تُعدّ الأغشية المُصنّعة بالطرق الجافة أكثر ملاءمةً لكثافة الطاقة العالية، نظرًا لبنيتها المسامية المفتوحة والمنتظمة، بينما توفر الأغشية المُصنّعة بالطرق الرطبة دورات شحن/تفريغ أكثر نظرًا لبنيتها المسامية المتعرجة والمترابطة. وهذا يُساعد على كبح تحوّل حاملات الشحنة إلى بلورات على المصاعد أثناء الشحن السريع أو في درجات الحرارة المنخفضة. ^{[ 12 ]}

اختيار البوليمر

تُعدّ أنواعٌ مُحدّدة من البوليمرات مثاليةً لأنواعٍ مُختلفة من عمليات التخليق. مُعظم البوليمرات المُستخدمة حاليًا في فواصل البطاريات هي موادٌ أساسها البولي أوليفينات ذات بنيةٍ شبه بلورية . ومن بينها، يُستخدم البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والبولي فينيل كلوريد (PVC)، ومزيجاتها مثل البولي إيثيلين-البولي بروبيلين على نطاقٍ واسع. وقد دُرست البوليمرات المُطعّمة مؤخرًا في محاولةٍ لتحسين أداء البطاريات، بما في ذلك فواصل البولي إيثيلين المُطعّمة ببولي ( ميثيل ميثاكريلات ) المسامي الدقيق ^{[ 16 ]} وفواصل البولي إيثيلين المُطعّمة بالسيليكسان ، والتي تُظهر مورفولوجيا سطحية وخصائص كهروكيميائية مُلائمة مُقارنةً بفواصل البولي إيثيلين التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن تصنيع شبكات ألياف نانوية من فلوريد البولي فينيليدين (PVDF) كفواصل لتحسين كلٍّ من التوصيل الأيوني والاستقرار البُعدي. ^{[ 3 ]} وهناك نوعٌ آخر من فواصل البوليمر، وهو الفاصل المُعدّل ببولي تراي فينيل أمين (PTPAn)، وهو فاصلٌ نشطٌ كهروكيميائيًا مع حمايةٍ عكسية من الشحن الزائد. ^{[ 6 ]}

يوضع الفاصل دائمًا بين المصعد والمهبط. تُملأ مسام الفاصل بالإلكتروليت وتُعبأ للاستخدام. ^{[ 18 ]}

الثبات الكيميائي

يجب أن تكون مادة الفاصل مستقرة كيميائيًا في مواجهة الإلكتروليت ومواد الأقطاب الكهربائية في البيئات شديدة التفاعل عند شحن البطارية بالكامل. يجب ألا يتدهور الفاصل. ويتم تقييم الاستقرار من خلال اختبارات الاستخدام. ^{[ 17 ]}

سماكة

يجب أن يكون فاصل البطارية رقيقًا لضمان كثافة الطاقة والقدرة للبطارية . قد يؤدي الفاصل الرقيق جدًا إلى الإضرار بالمتانة الميكانيكية والسلامة. ينبغي أن يكون سمكه منتظمًا لدعم دورات شحن متعددة. يبلغ العرض القياسي عادةً 25.4 ميكرومتر (1.0 ميل ). يمكن قياس سمك فاصل البوليمر باستخدام طريقة T411 om-83 التي طُوّرت تحت رعاية الرابطة الفنية لصناعة اللب والورق. ^{[ 19 ]} 

المسامية

يجب أن يتمتع الفاصل بكثافة مسامية كافية لاحتواء الإلكتروليت السائل الذي يسمح للأيونات بالتحرك بين الأقطاب. وتعيق المسامية المفرطة قدرة المسام على الانغلاق، وهو أمر بالغ الأهمية لتمكين الفاصل من إيقاف تشغيل البطارية عند ارتفاع درجة حرارتها. ويمكن قياس المسامية باستخدام طرق امتصاص السوائل أو الغازات وفقًا لمعيار الجمعية الأمريكية لاختبار المواد ( ASTM ) D-2873. وعادةً ما يوفر فاصل بطارية الليثيوم أيون مسامية بنسبة 40%. ^{[ 12 ]}

حجم المسام

يجب أن يكون حجم المسام أصغر من حجم جسيمات مكونات القطب، بما في ذلك المواد الفعالة والمواد المضافة الموصلة. من الناحية المثالية، ينبغي أن تكون المسام موزعة بانتظام مع بنية متعرجة. يضمن ذلك توزيعًا منتظمًا للتيار في جميع أنحاء الفاصل مع كبح نمو الليثيوم على المصعد. يمكن تحليل توزيع المسام وبنيتها باستخدام مقياس المسامية الشعري أو المجهر الإلكتروني الماسح . ^{[ 20 ]}

نفاذية

يجب ألا يُعيق الفاصل الأداء. عادةً ما تزيد الفواصل البوليمرية مقاومة الإلكتروليت بمقدار أربعة إلى خمسة أضعاف. تُسمى نسبة مقاومة الفاصل المملوء بالإلكتروليت إلى مقاومة الإلكتروليت وحده برقم ماكمولين. يمكن استخدام نفاذية الهواء بشكل غير مباشر لتقدير رقم ماكمولين. تُعبر نفاذية الهواء بقيمة جورلي ، وهي الزمن اللازم لمرور كمية محددة من الهواء عبر مساحة محددة من الفاصل تحت ضغط محدد. تعكس قيمة جورلي مدى تعرج المسام، عندما تكون مسامية الفاصل وسماكته ثابتة. يُعد الفاصل ذو المسامية المنتظمة أمرًا حيويًا لدورة حياة البطارية. تُؤدي الانحرافات عن النفاذية المنتظمة إلى توزيع غير متساوٍ لكثافة التيار، مما يُسبب تكوّن البلورات على المصعد. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

القوة الميكانيكية

هناك عوامل متعددة تساهم في تحديد الخصائص الميكانيكية العامة للفاصل.

قوة الشد

يجب أن يكون الفاصل قويًا بما يكفي لتحمل قوة الشد الناتجة عن عملية اللف أثناء تجميع البطارية. إضافةً إلى ذلك، يجب ألا تتغير أبعاد الفاصل بفعل إجهاد الشد، وإلا فقد يتلامس المهبط والمصعد، مما يؤدي إلى قصر الدائرة في البطارية. تُعرَّف قوة الشد عادةً في اتجاه اللف (اتجاه الآلة) والاتجاه العرضي، بدلالة معامل يونغ . ^{[ 23 ]} توفر معاملات يونغ الكبيرة في اتجاه اللف استقرارًا في الأبعاد، حيث يتناسب الانفعال عكسيًا مع القوة. ^{[ 24 ]} تعتمد قوة الشد بشكل كبير على عملية تصنيع الفاصل وبنيته المجهرية النهائية. تتميز الفواصل المصنعة بالمعالجة الجافة بملامح قوة متباينة الخواص، حيث تكون أعلى قوة في اتجاه اللف، نظرًا لتوجيه الألياف التي تتشكل عبر آلية التصدع أثناء التصنيع. أما الفواصل المصنعة بالمعالجة الرطبة، فتتميز بملامح قوة أكثر تجانسًا، حيث تكون قيمها متقاربة في كل من اتجاه اللف والاتجاه العرضي. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

قوة الثقب

لمنع حدوث قصر كهربائي (عطل في البطارية)، يجب ألا يتأثر الفاصل بالإجهادات الناتجة عن الجسيمات أو الهياكل الموجودة على سطحه. تُعرَّف قوة الثقب بأنها القوة اللازمة لدفع مسبار عبر الفاصل. ^{[ 24 ]}

قابلية التبلل

يجب أن يملأ الإلكتروليت كامل مجموعة البطارية، مما يتطلب أن يتبلل الفاصل بسهولة بالإلكتروليت. علاوة على ذلك، ينبغي أن يكون الإلكتروليت قادرًا على تبليل الفاصل بشكل دائم، للحفاظ على عمر دورة الشحن والتفريغ. لا توجد طريقة مقبولة عمومًا لاختبار قابلية التبلل ، باستثناء الملاحظة. ^{[ 28 ]}

الثبات الحراري

يجب أن يظل الفاصل مستقرًا على نطاق واسع من درجات الحرارة دون أن يلتف أو يتجعد، وأن يكون مسطحًا تمامًا. ^{[ 29 ]}

إيقاف التشغيل الحراري

يجب أن توفر الفواصل في بطاريات الليثيوم أيون القدرة على الإيقاف عند درجة حرارة أقل قليلاً من تلك التي يحدث عندها الهروب الحراري ، مع الحفاظ على خصائصها الميكانيكية. ^{[ 5 ]}

قد تتشكل العديد من العيوب الهيكلية في فواصل البوليمر نتيجة لتغيرات درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى زيادة سمكها. علاوة على ذلك، قد توجد عيوب جوهرية في البوليمرات نفسها، فمثلاً، يبدأ البولي إيثيلين بالتلف خلال مراحل البلمرة والنقل والتخزين. ^{[ 30 ]} إضافة إلى ذلك، قد تتشكل عيوب أخرى، كالتشققات أو الثقوب، أثناء تصنيع فواصل البوليمر. كما توجد مصادر أخرى للعيوب، كإضافة مواد كيميائية إلى فاصل البوليمر. ^{[ 2 ]}

تعمل فواصل البوليمر، على غرار فواصل البطاريات عمومًا، كفاصل بين المصعد والمهبط في بطارية الليثيوم أيون، مع السماح في الوقت نفسه بحركة الأيونات عبر الخلية. إضافةً إلى ذلك، يمكن للعديد من فواصل البوليمر، وخاصةً فواصل البوليمر متعددة الطبقات، أن تعمل كفواصل إيقاف تشغيل، حيث تقوم بإيقاف تشغيل البطارية إذا ارتفعت درجة حرارتها بشكل مفرط أثناء عملية الشحن والتفريغ. تتكون هذه الفواصل البوليمرية متعددة الطبقات عادةً من طبقة واحدة أو أكثر من البولي إيثيلين، والتي تعمل على إيقاف تشغيل البطارية، وطبقة واحدة على الأقل من البولي بروبيلين، والتي تعمل كدعامة ميكانيكية للفاصل. ^{[ 6 ] [ 31 ]}

تتعرض الفواصل أيضًا للعديد من الإجهادات أثناء تجميع البطارية واستخدامها. تشمل الإجهادات الشائعة إجهادات الشد الناتجة عن عمليات التشغيل الجافة/الرطبة، وإجهادات الضغط الناتجة عن التمدد الحجمي للأقطاب الكهربائية والقوى اللازمة لضمان التلامس الكافي بين المكونات. يُعد نمو الليثيوم المتشعب مصدرًا شائعًا آخر للإجهاد. غالبًا ما تُطبق هذه الإجهادات في وقت واحد، مما يُنشئ مجال إجهاد معقدًا يجب أن تتحمله الفواصل. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي التشغيل القياسي للبطارية إلى تطبيق دوري لهذه الإجهادات. يمكن أن تؤدي هذه الظروف الدورية إلى إجهاد الفواصل ميكانيكيًا، مما يقلل من قوتها، ويؤدي في النهاية إلى تعطل الجهاز. ^{[ 32 ]}

إلى جانب الفواصل البوليمرية، توجد أنواع أخرى عديدة من الفواصل. منها الأقمشة غير المنسوجة، التي تتكون من طبقة أو شبكة أو حصيرة مصنعة من ألياف موجهة اتجاهيًا أو عشوائيًا. والأغشية السائلة المدعومة، التي تتكون من طور صلب وآخر سائل محصورين داخل فاصل دقيق المسام. بالإضافة إلى ذلك، توجد أيضًا إلكتروليتات بوليمرية قادرة على تكوين مركبات مع أنواع مختلفة من أملاح المعادن القلوية، مما ينتج عنه موصلات أيونية تعمل كإلكتروليتات صلبة. وهناك نوع آخر من الفواصل، وهو موصل أيوني صلب، يمكن استخدامه كفاصل وإلكتروليت في البطارية. ^{[ 10 ]}

استُخدمت تقنية البلازما لتعديل غشاء البولي إيثيلين لتحسين الالتصاق والترطيب والطباعة. عادةً ما يتم ذلك بتعديل الغشاء على مستوياته الجزيئية الخارجية فقط، مما يسمح للسطح بالتصرف بشكل مختلف دون التأثير على خصائص باقي أجزائه. تم تعديل السطح باستخدام الأكريلونيتريل بتقنية طلاء البلازما، وسُمّي الغشاء المطلي بالأكريلونيتريل الناتج PiAn-PE. أظهرت دراسة خصائص السطح أن تحسين الالتصاق في PiAn-PE ناتج عن زيادة المكون القطبي لطاقة السطح. ^{[ 33 ]}

تُوفر بطارية النيكل-معدن الهيدريد المُغلقة والقابلة لإعادة الشحن أداءً متميزًا وملاءمةً للبيئة تفوق البطاريات القلوية القابلة لإعادة الشحن. وتُوفر بطارية النيكل-معدن الهيدريد، مثل بطارية الليثيوم أيون، طاقةً عالية وكثافة طاقة عالية مع عمر تشغيلي طويل. وتتمثل أكبر مشكلة لهذه التقنية في معدل التآكل العالي المتأصل فيها في المحاليل المائية. وتُعد الأغشية العازلة المسامية المصنوعة من البولي أوليفين أو النايلون أو السيلوفان من أكثر الفواصل استخدامًا. ويمكن تطعيم هذه الفواصل بمركبات الأكريليك باستخدام الإشعاع لتحسين خصائصها من حيث قابلية التبلل والنفاذية. وقد طوّر تشيجيانغ كاي وزملاؤه فاصلًا هلاميًا غشائيًا من البوليمر الصلب. وكان هذا الفاصل ناتجًا عن بلمرة مونومر واحد أو أكثر من مجموعة الأميدات والأحماض غير المشبعة إيثيلينية القابلة للذوبان في الماء . ويحتوي الهلام البوليمري أيضًا على بوليمر قابل للانتفاخ في الماء، والذي يعمل كعنصر مُقوٍّ. وتُضاف الأنواع الأيونية إلى المحلول وتبقى مُدمجة في الهلام بعد البلمرة.

يجري تطوير بطاريات النيكل/معدن الهيدريد ثنائية القطب (البطاريات ثنائية القطب) لما توفره من مزايا في تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة للمركبات الكهربائية. وقد يكون فاصل الهلام الغشائي المصنوع من البوليمر الصلب مفيدًا في هذه التطبيقات ضمن تصميم البطاريات ثنائية القطب. بعبارة أخرى، يُسهم هذا التصميم في تجنب حدوث دوائر قصر في أنظمة الإلكتروليت السائل. ^{[ 34 ]}

حظيت فواصل البوليمرات غير العضوية باهتمام كبير لاستخدامها في بطاريات الليثيوم أيون. تُحضّر فواصل ثلاثية الطبقات من غشاء جسيمات غير عضوية/ بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) /غشاء جسيمات غير عضوية عن طريق طلاء طبقات الجسيمات غير العضوية على جانبي أغشية PMMA الرقيقة بتقنية الغمس. يُعتقد أن هذا الغشاء ثلاثي الطبقات غير العضوي يُعدّ فاصلاً مبتكراً وغير مكلف للاستخدام في بطاريات الليثيوم أيون، وذلك بفضل استقراره الأبعادي والحراري المُحسّن. ^{[ 35 ]}