Fonas

1800 metais italų fizikas A. Volta sukonstravo voltų krūvą, atvėrusį praktinių baterijų pradžią ir pirmą kartą apibūdinusią elektrolito svarbą elektrocheminiuose energijos kaupikliuose. Elektrolitas gali būti vertinamas kaip elektroniškai izoliuojantis ir jonams laidus skysto arba kieto pavidalo sluoksnis, įterptas tarp neigiamo ir teigiamo elektrodų. Šiuo metu pažangiausias elektrolitas gaminamas ištirpinant kietą ličio druską (pvz., LiPF6) nevandeniniame organiniame karbonato tirpiklyje (pvz., EC ir DMC). Pagal bendrą elemento formą ir dizainą elektrolitas paprastai sudaro 8–15 % elemento svorio. Ką's daugiau, jo degumas ir optimalus darbo temperatūros diapazonas -10°C iki 60°C labai trukdo toliau gerinti akumuliatoriaus energijos tankį ir saugumą. Todėl naujoviškos elektrolitų formulės laikomos pagrindine priemone kuriant naujos kartos naujas baterijas.

Mokslininkai taip pat dirba kurdami skirtingas elektrolitų sistemas. Pavyzdžiui, fluorintų tirpiklių, galinčių užtikrinti veiksmingą ličio metalo ciklą, naudojimas, organiniai arba neorganiniai kietieji elektrolitai, naudingi transporto priemonių pramonei, ir „kietojo kūno akumuliatoriai“ (SSB). Pagrindinė priežastis yra ta, kad jei kietas elektrolitas pakeičia originalų skystą elektrolitą ir diafragmą, akumuliatoriaus sauga, vienos energijos tankis ir tarnavimo laikas gali būti žymiai pagerintas. Toliau apibendriname kietųjų elektrolitų su skirtingomis medžiagomis tyrimų pažangą.

Neorganiniai kietieji elektrolitai

Neorganiniai kietieji elektrolitai buvo naudojami komerciniuose elektrocheminiuose energijos kaupimo įrenginiuose, tokiuose kaip kai kurios aukštos temperatūros įkraunamos baterijos Na-S, Na-NiCl2 baterijos ir pirminės Li-I2 baterijos. 2019 m. „Hitachi Zosen“ (Japonija) pademonstravo 140 mAh talpos kietojo kūno bateriją, skirtą naudoti kosmose ir išbandyti Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS). Ši baterija sudaryta iš sulfido elektrolito ir kitų neatskleistų akumuliatoriaus komponentų, galinčių veikti nuo -40°C ir 100°C. 2021 m. įmonė pristato didesnės talpos kietą 1000 mAh bateriją. „Hitachi Zosen“ mato tvirtų baterijų poreikį atšiaurioms aplinkoms, tokioms kaip erdvė ir pramoninė įranga, veikianti įprastoje aplinkoje. Bendrovė planuoja iki 2025 m. padvigubinti akumuliatoriaus talpą. Tačiau kol kas nėra paruošto kietojo kūno akumuliatoriaus gaminio, kurį būtų galima naudoti elektrinėse transporto priemonėse.

Organiniai pusiau kieti ir kieti elektrolitai

Organinių kietųjų elektrolitų kategorijoje Prancūzijos Bolloré sėkmingai pristatė gelio tipo PVDF-HFP elektrolitą ir gelio tipo PEO elektrolitą. Bendrovė taip pat pradėjo bandomąsias automobilių dalijimosi programas Šiaurės Amerikoje, Europoje ir Azijoje, siekdama pritaikyti šią akumuliatorių technologiją elektromobiliams, tačiau ši polimerinė baterija niekada nebuvo plačiai pritaikyta lengvuosiuose automobiliuose. Vienas iš veiksnių, prisidedančių prie jų prasto komercinio pritaikymo, yra tai, kad juos galima naudoti tik santykinai aukštoje temperatūroje (50°C iki 80°C) ir žemos įtampos diapazonus. Šios baterijos dabar naudojamos komercinėse transporto priemonėse, pavyzdžiui, kai kuriuose miesto autobusuose. Nėra jokių darbo su gryno kieto polimero elektrolito baterijomis kambario temperatūroje (ty apie 25°C).

Pusiau kietų medžiagų kategorijai priskiriami labai klampūs elektrolitai, tokie kaip druskos ir tirpiklio mišiniai, elektrolitų tirpalas, kurio druskos koncentracija didesnė nei standartinis 1 mol/L, o koncentracija arba soties taškai yra net 4 mol/L. Susirūpinimą dėl koncentruotų elektrolitų mišinių kelia santykinai didelis fluorintų druskų kiekis, kuris taip pat kelia klausimų dėl ličio kiekio ir tokių elektrolitų poveikio aplinkai. Taip yra todėl, kad subrendusio produkto komercializacija reikalauja išsamios gyvavimo ciklo analizės. O paruoštų pusiau kietų elektrolitų žaliavos taip pat turi būti paprastos ir lengvai prieinamos, kad jas būtų lengviau integruoti į elektromobilius.

Hibridiniai elektrolitai

Hibridiniai elektrolitai, taip pat žinomi kaip mišrūs elektrolitai, gali būti modifikuojami remiantis vandeniniais/organiniais tirpikliais hibridiniais elektrolitais arba į kietą elektrolitą įpilant nevandeninio skysto elektrolito tirpalo, atsižvelgiant į kietųjų elektrolitų gamybos ir mastelio keitimo galimybes bei krovimo technologijos reikalavimus. Tačiau tokie hibridiniai elektrolitai dar tik tiriami ir komercinių pavyzdžių nėra.

Elektrolitų komercinės plėtros svarstymai

Didžiausi kietųjų elektrolitų privalumai yra didelis saugumas ir ilgas eksploatavimo laikas, tačiau vertinant alternatyvius skystus ar kietus elektrolitus reikia atidžiai atsižvelgti į šiuos dalykus:

• Kietojo elektrolito gamybos procesas ir sistemos projektavimas. Laboratorinių matuoklių baterijos paprastai susideda iš kelių šimtų mikronų storio kietų elektrolito dalelių, padengtų vienoje elektrodų pusėje. Šie maži kietieji elementai neatspindi našumo, reikalingo dideliems elementams (10–100 Ah), nes 10–100 Ah talpa yra minimali esamos galios baterijų specifikacija.
• Kietasis elektrolitas taip pat pakeičia diafragmos vaidmenį. Kadangi jo svoris ir storis yra didesni nei PP/PE diafragma, jį reikia sureguliuoti, kad būtų pasiektas svorio tankis.≥350Wh/kgir energijos tankis≥900Wh/L, kad nebūtų trukdoma jo komercializacija.

Baterija visada kelia tam tikrą pavojų saugai. Kietieji elektrolitai, nors ir saugesni už skysčius, nebūtinai yra nedegūs. Kai kurie polimerai ir neorganiniai elektrolitai gali reaguoti su deguonimi arba vandeniu, gamindami šilumą ir toksiškas dujas, kurios taip pat kelia gaisro ir sprogimo pavojų. Be pavienių elementų, nekontroliuojamą degimą gali sukelti plastikai, dėklai ir pakuotės medžiagos. Taigi galiausiai reikalingas holistinis sistemos lygio saugos testas.