Fundal

În 1800, fizicianul italian A. Volta a construit grămada voltaică, care a deschis începutul bateriilor practice și a descris pentru prima dată importanța electrolitului în dispozitivele electrochimice de stocare a energiei. Electrolitul poate fi văzut ca un strat izolator electronic și conducător de ioni sub formă de lichid sau solid, introdus între electrozii negativi și pozitivi. În prezent, cel mai avansat electrolit este obținut prin dizolvarea sării solide de litiu (de exemplu LiPF6) în solvent carbonat organic neapos (de exemplu EC și DMC). Conform formei și designului general al celulei, electrolitul reprezintă de obicei 8% până la 15% din greutatea celulei. Ce'Mai mult, inflamabilitatea și intervalul optim de temperatură de funcționare de -10°C până la 60°C împiedică foarte mult îmbunătățirea în continuare a densității și siguranței energiei bateriei. Prin urmare, formulările inovatoare de electroliți sunt considerate a fi factorul cheie pentru dezvoltarea următoarei generații de baterii noi.

Cercetătorii lucrează, de asemenea, la dezvoltarea diferitelor sisteme de electroliți. De exemplu, utilizarea solvenților fluorurati care pot obține cicluri eficiente ale litiului metalic, electroliți solizi organici sau anorganici care sunt benefice pentru industria vehiculelor și „bateriilor cu stare solidă” (SSB). Motivul principal este că, dacă electrolitul solid înlocuiește electrolitul lichid original și diafragma, siguranța, densitatea de energie unică și durata de viață a bateriei pot fi îmbunătățite semnificativ. În continuare, rezumăm în principal progresul cercetării electroliților solizi cu diferite materiale.

Electroliți solizi anorganici

Electroliții solizi anorganici au fost utilizați în dispozitivele comerciale de stocare a energiei electrochimice, cum ar fi unele baterii reîncărcabile la temperatură înaltă Na-S, baterii Na-NiCl2 și baterii primare Li-I2. În 2019, Hitachi Zosen (Japonia) a demonstrat o baterie de tip pungă cu stare solidă de 140 mAh pentru a fi folosită în spațiu și testată pe Stația Spațială Internațională (ISS). Această baterie este compusă dintr-un electrolit sulfurat și alte componente nedezvăluite ale bateriei, putând funcționa între -40°C și 100°C. În 2021, compania introduce o baterie solidă cu capacitate mai mare de 1.000 mAh. Hitachi Zosen vede nevoia de baterii solide pentru medii dure, cum ar fi spații și echipamente industriale care funcționează în medii tipice. Compania intenționează să dubleze capacitatea bateriei până în 2025. Dar până în prezent, nu există un produs de baterie cu stare solidă care să poată fi utilizat în vehiculele electrice.

Electroliți organici semi-solidi și solizi

În categoria electroliților organici solizi, compania franceză Bolloré a comercializat cu succes un electrolit PVDF-HFP de tip gel și un electrolit PEO de tip gel. Compania a lansat, de asemenea, programe pilot de car-sharing în America de Nord, Europa și Asia pentru a aplica această tehnologie a bateriei vehiculelor electrice, dar această baterie polimerică nu a fost niciodată adoptată pe scară largă în mașinile de pasageri. Un factor care contribuie la adoptarea lor comercială slabă este faptul că pot fi utilizate numai la temperaturi relativ ridicate (50°C până la 80°C) și domeniile de joasă tensiune. Aceste baterii sunt acum folosite în vehicule comerciale, cum ar fi unele autobuze urbane. Nu există cazuri de lucru cu baterii cu electrolit polimer solid pur la temperatura camerei (adică, în jur de 25°C).

Categoria semisolidă include electroliți foarte vâscoși, cum ar fi amestecurile sare-solvent, soluția de electrolit care are o concentrație de sare mai mare decât standardul de 1 mol/L, cu concentrații sau puncte de saturație de până la 4 mol/L. O preocupare cu amestecurile de electroliți concentrați este conținutul relativ ridicat de săruri fluorurate, ceea ce ridică, de asemenea, întrebări cu privire la conținutul de litiu și impactul asupra mediului al unor astfel de electroliți. Acest lucru se datorează faptului că comercializarea unui produs matur necesită o analiză cuprinzătoare a ciclului de viață. Și materiile prime pentru electroliții semi-solidi pregătiți trebuie, de asemenea, să fie simple și ușor disponibile pentru a fi integrate mai ușor în vehiculele electrice.

Electroliți hibrizi

Electroliții hibrizi, cunoscuți și sub denumirea de electroliți mixți, pot fi modificați pe baza electroliților hibrizi cu solvent apos/organic sau prin adăugarea unei soluții de electrolit lichid neapos la un electrolit solid, având în vedere fabricabilitatea și scalabilitatea electroliților solizi și cerințele pentru tehnologia de stivuire. Cu toate acestea, astfel de electroliți hibrizi sunt încă în stadiul de cercetare și nu există exemple comerciale.

Considerații pentru dezvoltarea comercială a electroliților

Cele mai mari avantaje ale electroliților solizi sunt siguranța ridicată și ciclul de viață lung, dar următoarele puncte trebuie luate în considerare cu atenție atunci când se evaluează electroliți lichizi sau solizi alternativi:

• Procesul de fabricație și proiectarea sistemului de electrolit solid. Bateriile de măsurare de laborator constau în mod obișnuit din particule solide de electrolit cu o grosime de câteva sute de microni, acoperite pe o parte a electrozilor. Aceste celule solide mici nu sunt reprezentative pentru performanța necesară pentru celulele mari (10 până la 100 Ah), deoarece capacitatea de 10 ~ 100 Ah este specificația minimă necesară pentru bateriile de putere curentă.
• Electrolitul solid înlocuiește și rolul diafragmei. Deoarece greutatea și grosimea sa sunt mai mari decât diafragma PP/PE, aceasta trebuie ajustată pentru a obține densitatea greutății≥350Wh/kgși densitatea energiei≥900Wh/L pentru a evita împiedicarea comercializării acestuia.

Bateria este întotdeauna un risc pentru siguranță într-o oarecare măsură. Electroliții solizi, deși sunt mai siguri decât lichidele, nu sunt neapărat neinflamabili. Unii polimeri și electroliți anorganici pot reacționa cu oxigenul sau apa, producând căldură și gaze toxice care prezintă, de asemenea, un pericol de incendiu și explozie. Pe lângă celulele individuale, materialele plastice, carcasele și materialele de ambalare pot provoca arderea necontrolată. Deci, în cele din urmă, este necesar un test de siguranță holistic la nivel de sistem.