Pozadina

Italijanski fizičar A. Volta je 1800. godine izgradio naponsku gomilu, koja je otvorila početak praktičnih baterija i po prvi put opisao značaj elektrolita u elektrohemijskim uređajima za skladištenje energije. Elektrolit se može posmatrati kao elektronski izolacioni i jonski provodni sloj u obliku tečnosti ili čvrste materije, umetnut između negativne i pozitivne elektrode. Trenutno, najnapredniji elektrolit se proizvodi otapanjem čvrste litijeve soli (npr. LiPF6) u nevodenom organskom karbonatnom rastvaraču (npr. EC i DMC). Prema općem obliku i dizajnu ćelije, elektrolit obično čini 8% do 15% težine ćelije. sta's više, njegova zapaljivost i optimalan raspon radne temperature od -10°C do 60°C uvelike ometaju dalje poboljšanje gustine energije baterije i sigurnosti. Stoga se inovativne formulacije elektrolita smatraju ključnim faktorom za razvoj sljedeće generacije novih baterija.

Istraživači takođe rade na razvoju različitih sistema elektrolita. Na primjer, upotreba fluoriranih rastvarača koji mogu postići efikasnu cirkulaciju metala litijuma, organskih ili neorganskih čvrstih elektrolita koji su korisni za industriju vozila i „čvrste baterije“ (SSB). Glavni razlog je taj što ako čvrsti elektrolit zamijeni originalni tekući elektrolit i dijafragmu, sigurnost, pojedinačna gustoća energije i vijek trajanja baterije mogu se značajno poboljšati. Zatim, uglavnom sumiramo napredak istraživanja čvrstih elektrolita sa različitim materijalima.

Neorganski čvrsti elektroliti

Neorganski čvrsti elektroliti se koriste u komercijalnim uređajima za skladištenje elektrohemijske energije, kao što su neke punjive baterije na visokim temperaturama Na-S, Na-NiCl2 baterije i primarne Li-I2 baterije. Još 2019. godine, Hitachi Zosen (Japan) je demonstrirao potpuno čvrstu bateriju od 140 mAh koja će se koristiti u svemiru i testirana na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS). Ova baterija se sastoji od sulfidnog elektrolita i drugih neotkrivenih komponenti baterije, a može raditi između -40°C i 100°C. 2021. godine kompanija uvodi solidnu bateriju većeg kapaciteta od 1.000 mAh. Hitachi Zosen vidi potrebu za čvrstim baterijama za teška okruženja kao što su prostor i industrijska oprema koja radi u tipičnim okruženjima. Kompanija planira da udvostruči kapacitet baterije do 2025. godine. Ali za sada ne postoji proizvod sa potpuno čvrstim baterijama koji se može koristiti u električnim vozilima.

Organski polučvrsti i čvrsti elektroliti

U kategoriji organskih čvrstih elektrolita, francuski Bolloré je uspješno komercijalizirao PVDF-HFP elektrolit u obliku gela i PEO elektrolit u obliku gela. Kompanija je također pokrenula pilot programe dijeljenja automobila u Sjevernoj Americi, Evropi i Aziji kako bi primijenila ovu tehnologiju baterija na električna vozila, ali ova polimerna baterija nikada nije bila široko prihvaćena u putničkim automobilima. Jedan faktor koji doprinosi njihovom slabom komercijalnom usvajanju je to što se mogu koristiti samo na relativno visokim temperaturama (50°C do 80°C) i niskog napona. Ove baterije se sada koriste u komercijalnim vozilima, kao što su neki gradski autobusi. Ne postoje slučajevi rada sa baterijama od čistog čvrstog polimera elektrolita na sobnoj temperaturi (tj. oko 25°C).

Polučvrsta kategorija uključuje visoko viskozne elektrolite, kao što su mješavine soli i rastvarača, otopina elektrolita koja ima koncentraciju soli veću od standardne 1 mol/L, sa koncentracijama ili tačkama zasićenja do 4 mol/L. Zabrinutost u vezi s koncentriranim mješavinama elektrolita je relativno visok sadržaj fluoriranih soli, što također postavlja pitanja o sadržaju litijuma i utjecaju takvih elektrolita na okoliš. To je zato što komercijalizacija zrelog proizvoda zahtijeva sveobuhvatnu analizu životnog ciklusa. I sirovine za pripremljene polučvrste elektrolite također moraju biti jednostavne i lako dostupne kako bi se lakše integrirale u električna vozila.

Hibridni elektroliti

Hibridni elektroliti, također poznati kao miješani elektroliti, mogu se modificirati na osnovu hibridnih elektrolita vodenog/organskog otapala ili dodavanjem nevodenog tekućeg rastvora elektrolita čvrstom elektrolitu, s obzirom na proizvodnost i skalabilnost čvrstih elektrolita i zahtjeve za tehnologiju slaganja. Međutim, takvi hibridni elektroliti su još uvijek u fazi istraživanja i nema komercijalnih primjera.

Razmatranja za komercijalni razvoj elektrolita

Najveće prednosti čvrstih elektrolita su visoka sigurnost i dug životni vijek, ali sljedeće točke treba pažljivo razmotriti kada se procjenjuju alternativni tekući ili čvrsti elektroliti:

• Proces proizvodnje i projektovanje sistema čvrstog elektrolita. Baterije za laboratorijske mjere se obično sastoje od čvrstih čestica elektrolita debljine nekoliko stotina mikrona, obloženih s jedne strane elektroda. Ove male čvrste ćelije nisu reprezentativne za performanse potrebne za velike ćelije (10 do 100Ah), jer je kapacitet od 10~100Ah minimalna specifikacija potrebna za trenutne baterije.
• Čvrsti elektrolit također zamjenjuje ulogu dijafragme. Kako su njegova težina i debljina kaša veće od PP/PE dijafragme, mora se podesiti kako bi se postigla gustoća težine≥350Wh/kgi gustina energije≥900Wh/L kako bi se izbjeglo ometanje njegove komercijalizacije.

Baterija je uvijek u određenoj mjeri sigurnosni rizik. Čvrsti elektroliti, iako su sigurniji od tekućina, nisu nužno nezapaljivi. Neki polimeri i anorganski elektroliti mogu reagirati s kisikom ili vodom, proizvodeći toplinu i otrovne plinove koji također predstavljaju opasnost od požara i eksplozije. Osim pojedinačnih ćelija, plastika, kućišta i materijali pakovanja mogu uzrokovati nekontrolirano sagorijevanje. Dakle, na kraju, potreban je holistički test sigurnosti na nivou sistema.