II componenti principali di una batteria agli ioni di litio sono gli elettrodi positivi e negativi, un separatore (diaframma), un elettrolita organico e l’involucro della batteria. Tra queste strutture, il diaframma è uno dei componenti chiave, poiché svolge due funzioni principali. La prima è quella di agire come uno strato isolante, che può efficacemente prevenire il cortocircuito interno causato dal contatto tra gli elettrodi positivi e negativi. La seconda funzione è quella di agire come uno strato semipermeabile, in grado di impedire il passaggio di molecole più grandi e consentire il passaggio di ioni carichi di piccolo volume. Durante il processo di carica e scarica, gli ioni di litio vengono incorporati e de-incorporati avanti e indietro tra i due elettrodi scorrendo attraverso il diaframma, che fungendo da canale microporoso, consente il libero passaggio degli ioni di litio nell’elettrolita.
La dimensione e il numero dei pori, l’uniformità di distribuzione e lo spessore del diaframma influiscono direttamente sulla velocità di diffusione e sul livello di sicurezza dell’elettrolita, determinando un grande impatto sulle prestazioni della batteria. Se la dimensione dei pori del diaframma è troppo piccola, la permeabilità degli ioni di litio è limitata, influenzando negativamente il processo di trasferimento degli ioni di litio nella batteria e aumentando la resistenza della batteria stessa. Se al contrario la dimensione dei pori è troppo grande, la crescita dei dendriti di litio potrebbe perforare il diaframma, causando incidenti anche gravi come cortocircuiti o esplosioni.
L’uso della microscopia elettronica a scansione (SEM) permette non solo di caratterizzare la dimensione dei pori e l’uniformità di distribuzione nel diaframma, ma anche di osservare la sezione trasversale del diaframma multistrato per misurarne lo spessore.
I diaframmi utilizzati convenzionalmente sono per lo più pellicole microporose preparate da materiali poliolefinici, tra cui pellicole a strato singolo di polietilene (PE) e polipropilene (PP) e pellicole composite a tre strati PP/PE/PP. I materiali polimerici poliolefinici sono isolanti e non conduttivi e sono molto sensibili al fascio di elettroni, il quale può generare effetti di carica o peggio danneggiare la fine struttura dei diaframmi polimerici. Il SEM-FEG con sorgente a emissione di campo SEM5000 di CIQTEK, grazie al suo elevato potere risolutivo alle basse tensioni di accelerazione, permette di osservare facilmente questa tipologia di campioni sfruttando il detector In-Lens.
Il processo di preparazione del diaframma può avvenire principalmente mediante due diversi metodi: a secco o a umido. Il metodo a secco consiste in uno stretching uni o bidirezionale del materiale ancora allo stato fuso. È un processo semplice e piuttosto comune, e ha bassi costi di produzione. Il diaframma preparato con il metodo a secco tuttavia presenta una struttura microporosa piatta e lunga (Fig.1-A), è più spesso, e l’uniformità dei micropori è scarsa poiché la dimensione e la distribuzione dei pori sono difficili da controllare. Questo tipo di diaframmi è utilizzato principalmente nelle batterie agli ioni di litio di fascia bassa.
Il processo a umido, invece, prevede la miscelazione e la fusione di polimeri con solventi altobollenti, che porta alla produzione di membrane microporose attraverso vari step che fanno sì che il processo sia molto più è stabile e controllabile rispetto al processo a secco. Il diaframma che ne risulta ha uno spessore più sottile, un’elevata resistenza meccanica, e una migliore distribuzione e compenetrazione dei pori (Fig.1-B). Sebbene il costo del diaframma realizzato mediante il processo a umido sia superiore a quello del processo a secco, la batteria così assemblata ha un’elevata densità di energia e buone prestazioni di carica e scarica (batterie di fascia medio-alta).
La dimensione media dei pori nel diaframma può essere analizzata in modo rapido e automatico utilizzando una funzione dedicata presente nel software a corredo del SEM (Fig.2).
Infine, per soddisfare gli elevati requisiti in termini di sicurezza e di prestazioni, è necessario modificare la superficie dei diaframmi polimerici per migliorarne le proprietà meccaniche, la resistenza al calore e l’affinità con gli elettroliti. Uno dei metodi più comunemente utilizzati è il rivestimento superficiale del diaframma con materiali ceramici inorganici, caratterizzati da una buona resistenza al calore, elevata stabilità chimica e gruppi funzionali polari che migliorano la bagnabilità del diaframma poliolefinico nell’elettrolita (Fig.3).
Vedi qui il SEM CIQTEK usato per questo articolo
