Ozadje

Leta 1800 je italijanski fizik A. Volta zgradil voltin kup, ki je pomenil začetek praktičnih baterij in prvič opisal pomen elektrolita v elektrokemičnih napravah za shranjevanje energije. Elektrolit lahko vidimo kot elektronsko izolirno in ionsko prevodno plast v obliki tekočine ali trdne snovi, vstavljeno med negativno in pozitivno elektrodo. Trenutno je najnaprednejši elektrolit izdelan z raztapljanjem trdne litijeve soli (npr. LiPF6) v nevodnem organskem karbonatnem topilu (npr. EC in DMC). Glede na splošno obliko in zasnovo celice elektrolit običajno predstavlja od 8 % do 15 % teže celice. Kaj'več, njegova vnetljivost in optimalno delovno temperaturno območje -10°C do 60°C močno ovira nadaljnje izboljšanje energijske gostote baterije in varnosti. Zato velja, da so inovativne formulacije elektrolitov ključni dejavniki za razvoj naslednje generacije novih baterij.

Raziskovalci si prizadevajo tudi za razvoj različnih sistemov elektrolitov. Na primer, uporaba fluoriranih topil, ki lahko dosežejo učinkovito kroženje kovinskega litija, organski ali anorganski trdni elektroliti, ki so koristni za industrijo vozil, in "polprevodniške baterije" (SSB). Glavni razlog je v tem, da če trdni elektrolit nadomesti prvotni tekoči elektrolit in diafragmo, se lahko varnost, enojna gostota energije in življenjska doba baterije znatno izboljšajo. Nato povzemamo predvsem napredek raziskav trdnih elektrolitov z različnimi materiali.

Anorganski trdni elektroliti

Anorganski trdni elektroliti so bili uporabljeni v komercialnih elektrokemičnih napravah za shranjevanje energije, kot so nekatere visokotemperaturne polnilne baterije Na-S, Na-NiCl2 baterije in primarne Li-I2 baterije. Leta 2019 je Hitachi Zosen (Japonska) predstavil popolnoma polprevodniško baterijo s 140 mAh za uporabo v vesolju in preizkušanje na Mednarodni vesoljski postaji (ISS). Ta baterija je sestavljena iz sulfidnega elektrolita in drugih nerazkritih komponent baterije, ki lahko delujejo med -40°C in 100°C. Leta 2021 bo podjetje predstavilo trdno baterijo večje zmogljivosti 1000 mAh. Hitachi Zosen vidi potrebo po trdnih baterijah za težka okolja, kot sta vesoljska in industrijska oprema, ki deluje v tipičnih okoljih. Podjetje načrtuje podvojitev zmogljivosti baterije do leta 2025. Vendar zaenkrat še ni na prodajnem mestu nobenega polprevodniškega baterijskega izdelka, ki bi se lahko uporabljal v električnih vozilih.

Organski poltrdni in trdni elektroliti

V kategoriji organskih trdnih elektrolitov je francoski Bolloré uspešno komercializiral elektrolit PVDF-HFP v obliki gela in elektrolit v obliki gela PEO. Podjetje je prav tako uvedlo pilotne programe souporabe avtomobilov v Severni Ameriki, Evropi in Aziji, da bi uporabilo to baterijsko tehnologijo za električna vozila, vendar ta polimerna baterija nikoli ni bila razširjena v osebnih avtomobilih. Eden od dejavnikov, ki prispeva k njihovi slabi komercialni uporabi, je, da jih je mogoče uporabljati le pri relativno visokih temperaturah (50°C do 80°C) in nizkonapetostna območja. Te baterije se zdaj uporabljajo v gospodarskih vozilih, kot so nekateri mestni avtobusi. Ni primerov dela z baterijami s čistim polimernim elektrolitom pri sobni temperaturi (tj. okoli 25°C).

Poltrdna kategorija vključuje visoko viskozne elektrolite, kot so mešanice soli in topila, raztopine elektrolitov, ki imajo koncentracijo soli, višjo od standardnega 1 mol/L, s koncentracijami ali nasičenimi točkami do 4 mol/L. Skrb pri koncentriranih mešanicah elektrolitov je razmeroma visoka vsebnost fluoriranih soli, kar prav tako postavlja vprašanja o vsebnosti litija in vplivu takih elektrolitov na okolje. To je zato, ker komercializacija zrelega izdelka zahteva celovito analizo življenjskega cikla. Tudi surovine za pripravljene poltrdne elektrolite morajo biti preproste in lahko dostopne, da jih je lažje vključiti v električna vozila.

Hibridni elektroliti

Hibridne elektrolite, znane tudi kot mešani elektroliti, je mogoče modificirati na osnovi vodnih/organskih topilnih hibridnih elektrolitov ali z dodajanjem nevodne raztopine tekočega elektrolita trdnemu elektrolitu, pri čemer je treba upoštevati proizvodnost in razširljivost trdnih elektrolitov ter zahteve za tehnologijo zlaganja. Vendar so takšni hibridni elektroliti še v fazi raziskav in komercialnih primerov ni.

Premisleki za komercialni razvoj elektrolitov

Največji prednosti trdnih elektrolitov sta visoka varnost in dolga življenjska doba, vendar je treba pri ocenjevanju alternativnih tekočih ali trdnih elektrolitov natančno upoštevati naslednje točke:

• Postopek izdelave in načrtovanje sistema trdnega elektrolita. Laboratorijske merilne baterije so običajno sestavljene iz delcev trdnega elektrolita z nekaj sto mikroni debeline, prevlečenih na eni strani elektrod. Te majhne trdne celice niso reprezentativne za zmogljivost, zahtevano za velike celice (10 do 100 Ah), saj je zmogljivost 10 ~ 100 Ah minimalna zahtevana specifikacija za trenutne napajalne baterije.
• Trden elektrolit nadomešča tudi vlogo diafragme. Ker sta njegova teža in debelina precej večji od PP/PE diafragme, jo je treba prilagoditi, da se doseže gostota teže.≥350 Wh/kgin energijsko gostoto≥900Wh/L, da ne bi ovirali njegove komercializacije.

Baterija vedno do neke mere ogroža varnost. Trdni elektroliti, čeprav so varnejši od tekočin, niso nujno negorljivi. Nekateri polimeri in anorganski elektroliti lahko reagirajo s kisikom ali vodo, pri čemer nastanejo toplota in strupeni plini, ki predstavljajo tudi nevarnost požara in eksplozije. Poleg posameznih celic lahko nenadzorovano izgorevanje povzročijo plastika, ohišja in embalažni materiali. Končno je torej potreben celovit varnostni test na sistemski ravni.