Tło

W 1800 roku włoski fizyk A. Volta zbudował stos galwaniczny, który otworzył początki praktycznych baterii i po raz pierwszy opisał znaczenie elektrolitu w urządzeniach do magazynowania energii elektrochemicznej. Elektrolit można postrzegać jako warstwę izolującą elektronicznie i przewodzącą jony w postaci cieczy lub ciała stałego, umieszczoną pomiędzy elektrodą ujemną i dodatnią. Obecnie najbardziej zaawansowany elektrolit wytwarza się poprzez rozpuszczenie stałej soli litu (np. LiPF6) w niewodnym organicznym rozpuszczalniku węglanowym (np. EC i DMC). Zgodnie z ogólną formą i konstrukcją ogniwa, elektrolit stanowi zazwyczaj od 8% do 15% masy ogniwa. Co'co więcej, jego palność i optymalny zakres temperatur pracy -10°C do 60°C znacznie utrudniają dalszą poprawę gęstości energii i bezpieczeństwa baterii. Dlatego też innowacyjne formuły elektrolitów uważane są za kluczowy czynnik umożliwiający rozwój nowej generacji akumulatorów nowej generacji.

Naukowcy pracują również nad opracowaniem różnych systemów elektrolitów. Na przykład zastosowanie fluorowanych rozpuszczalników, które umożliwiają wydajny obieg litu i metalu, organicznych lub nieorganicznych elektrolitów stałych, które są korzystne dla przemysłu samochodowego, oraz „akumulatorów półprzewodnikowych” (SSB). Głównym powodem jest to, że jeśli stały elektrolit zastąpi oryginalny ciekły elektrolit i membranę, można znacznie poprawić bezpieczeństwo, pojedynczą gęstość energii i żywotność akumulatora. Następnie podsumowujemy głównie postęp badań elektrolitów stałych z różnymi materiałami.

Nieorganiczne elektrolity stałe

Nieorganiczne elektrolity stałe są stosowane w komercyjnych urządzeniach do magazynowania energii elektrochemicznej, takich jak niektóre wysokotemperaturowe akumulatory Na-S, Na-NiCl2 i pierwotne akumulatory Li-I2. W 2019 r. firma Hitachi Zosen (Japonia) zademonstrowała całkowicie półprzewodnikowy akumulator typu kieszonkowy o pojemności 140 mAh do użytku w przestrzeni kosmicznej i przetestowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Bateria ta składa się z elektrolitu siarczkowego i innych nieujawnionych elementów i może pracować w temperaturze od -40 do°C i 100°C. W 2021 roku firma wprowadzi na rynek akumulator stały o większej pojemności 1000 mAh. Hitachi Zosen widzi zapotrzebowanie na akumulatory solidne do pracy w trudnych warunkach, takich jak urządzenia kosmiczne i przemysłowe pracujące w typowym środowisku. Firma planuje podwoić pojemność akumulatorów do 2025 r. Jednak jak dotąd nie ma gotowych, całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów, które można by stosować w pojazdach elektrycznych.

Organiczne elektrolity półstałe i stałe

W kategorii organicznych elektrolitów stałych francuska firma Bolloré z sukcesem wprowadziła na rynek żelowy elektrolit PVDF-HFP i żelowy elektrolit PEO. Firma uruchomiła także pilotażowe programy wspólnego korzystania z samochodów w Ameryce Północnej, Europie i Azji, mające na celu zastosowanie tej technologii akumulatorów w pojazdach elektrycznych, jednak ten polimerowy akumulator nigdy nie został powszechnie zastosowany w samochodach osobowych. Jednym z czynników wpływających na ich słabe przyjęcie na rynku jest to, że można ich używać tylko w stosunkowo wysokich temperaturach (50,0°C).°C do 80°C) i zakresy niskiego napięcia. Baterie te są obecnie stosowane w pojazdach użytkowych, takich jak niektóre autobusy miejskie. Nie ma przypadków pracy z akumulatorami z czystym, stałym elektrolitem polimerowym w temperaturze pokojowej (tj. około 25°C).

Kategoria półstała obejmuje elektrolity o wysokiej lepkości, takie jak mieszaniny soli i rozpuszczalników, czyli roztwór elektrolitu o stężeniu soli wyższym niż standardowe 1 mol/l, przy stężeniach lub punktach nasycenia sięgających 4 mol/l. Problemem związanym ze stężonymi mieszaninami elektrolitów jest stosunkowo wysoka zawartość soli fluorowanych, co rodzi również pytania dotyczące zawartości litu i wpływu takich elektrolitów na środowisko. Dzieje się tak dlatego, że komercjalizacja dojrzałego produktu wymaga kompleksowej analizy cyklu życia. Surowce do wytwarzania elektrolitów półstałych również muszą być proste i łatwo dostępne, aby można je było łatwiej zintegrować z pojazdami elektrycznymi.

Elektrolity hybrydowe

Elektrolity hybrydowe, znane również jako elektrolity mieszane, można modyfikować w oparciu o hybrydowe elektrolity wodno-rozpuszczalnikowe lub przez dodanie niewodnego roztworu ciekłego elektrolitu do elektrolitu stałego, biorąc pod uwagę możliwości produkcyjne i skalowalność elektrolitów stałych oraz wymagania dotyczące technologii układania w stosy. Jednak takie elektrolity hybrydowe są wciąż w fazie badań i nie ma przykładów komercyjnych.

Rozważania dotyczące komercyjnego rozwoju elektrolitów

Największymi zaletami elektrolitów stałych są wysokie bezpieczeństwo i długi cykl życia, ale przy ocenie alternatywnych elektrolitów ciekłych lub stałych należy dokładnie rozważyć następujące kwestie:

• Proces wytwarzania i projektowanie systemów elektrolitów stałych. Baterie laboratoryjne składają się zazwyczaj ze stałych cząstek elektrolitu o grubości kilkuset mikronów, pokrytych po jednej stronie elektrod. Te małe ogniwa stałe nie są reprezentatywne dla wydajności wymaganej dla dużych ogniw (10 do 100 Ah), ponieważ pojemność 10 ~ 100 Ah to minimalna specyfikacja wymagana dla obecnych akumulatorów zasilających.
• Stały elektrolit zastępuje również rolę membrany. Ponieważ jego waga i grubość są znacznie większe niż membrany PP/PE, należy ją wyregulować, aby uzyskać gęstość ciężaru≥350 Wh/kgi gęstość energii≥900Wh/L, aby uniknąć utrudniania jego komercjalizacji.

Bateria zawsze stanowi w pewnym stopniu zagrożenie dla bezpieczeństwa. Elektrolity stałe, chociaż są bezpieczniejsze niż ciecze, niekoniecznie są niepalne. Niektóre polimery i elektrolity nieorganiczne mogą reagować z tlenem lub wodą, wytwarzając ciepło i toksyczne gazy, które również stwarzają ryzyko pożaru i wybuchu. Oprócz pojedynczych ogniw niekontrolowane spalanie mogą powodować tworzywa sztuczne, obudowy i materiały opakowaniowe. Ostatecznie potrzebny jest całościowy test bezpieczeństwa na poziomie systemu.