Pozadina

Godine 1800. talijanski fizičar A. Volta izgradio je voltin stup, koji je otvorio početak praktičnih baterija i po prvi put opisao važnost elektrolita u elektrokemijskim uređajima za pohranu energije. Elektrolit se može promatrati kao elektronički izolacijski i ionski vodljivi sloj u obliku tekućine ili krutine, umetnut između negativne i pozitivne elektrode. Trenutačno se najnapredniji elektrolit dobiva otapanjem krute litijeve soli (npr. LiPF6) u nevodenom organskom karbonatnom otapalu (npr. EC i DMC). Prema općem obliku i dizajnu ćelije, elektrolit obično čini 8% do 15% težine ćelije. Što'Štoviše, njegova zapaljivost i optimalno područje radne temperature od -10°C do 60°C uvelike ometaju daljnje poboljšanje gustoće energije baterije i sigurnosti. Stoga se inovativne formulacije elektrolita smatraju ključnim pokretačem za razvoj nove generacije baterija.

Istraživači također rade na razvoju različitih sustava elektrolita. Na primjer, upotreba fluoriranih otapala koja mogu postići učinkovito kruženje metala litija, organski ili anorganski čvrsti elektroliti koji su od koristi za industriju vozila i "solid state baterije" (SSB). Glavni razlog je taj što ako kruti elektrolit zamijeni originalni tekući elektrolit i dijafragmu, sigurnost, gustoća pojedinačne energije i vijek trajanja baterije mogu se značajno poboljšati. Zatim uglavnom sažimamo napredak istraživanja čvrstih elektrolita s različitim materijalima.

Anorganski čvrsti elektroliti

Anorganski čvrsti elektroliti korišteni su u komercijalnim elektrokemijskim uređajima za pohranu energije, kao što su neke visokotemperaturne punjive baterije Na-S, Na-NiCl2 baterije i primarne Li-I2 baterije. Još 2019. Hitachi Zosen (Japan) demonstrirao je potpuno solid-state torbičastu bateriju od 140 mAh koja će se koristiti u svemiru i testirati na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS). Ova baterija se sastoji od sulfidnog elektrolita i drugih neotkrivenih komponenti baterije, te može raditi između -40°C i 100°C. 2021. tvrtka predstavlja čvrstu bateriju većeg kapaciteta od 1000 mAh. Hitachi Zosen vidi potrebu za čvrstim baterijama za oštra okruženja kao što su prostor i industrijska oprema koja radi u tipičnim okruženjima. Tvrtka planira udvostručiti kapacitet baterije do 2025. godine. Ali do sada ne postoji gotova baterija u čvrstom stanju koja 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. Tvrtka je također pokrenula pilot programe dijeljenja automobila u Sjevernoj Americi, Europi i Aziji kako bi se ova baterijska tehnologija primijenila na električna vozila, ali ova polimerska baterija nikada nije široko prihvaćena u osobnim automobilima. Jedan čimbenik koji pridonosi njihovoj lošoj komercijalnoj primjeni je to što se mogu koristiti samo na relativno visokim temperaturama (50°C do 80°C) i područja niskog napona. Te se baterije sada koriste u gospodarskim vozilima, poput nekih gradskih autobusa. Ne postoje slučajevi rada s baterijama čistog čvrstog polimernog elektrolita na sobnoj temperaturi (tj. oko 25°C).

Polučvrsta kategorija uključuje visoko viskozne elektrolite, kao što su mješavine soli i otapala, otopina elektrolita koja ima koncentraciju soli višu od standardnih 1 mol/L, s koncentracijama ili točkama zasićenja do 4 mol/L. Problem kod koncentriranih mješavina elektrolita je relativno visok sadržaj fluoriranih soli, što također postavlja pitanja o sadržaju litija i utjecaju takvih elektrolita na okoliš. To je zato što komercijalizacija zrelog proizvoda zahtijeva sveobuhvatnu analizu životnog ciklusa. A sirovine za pripremljene polukrute 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 temelju hibridnih elektrolita vodenih/organskih otapala ili dodavanjem nevodene otopine tekućeg elektrolita čvrstom elektrolitu, uzimajući u obzir mogućnost proizvodnje i skalabilnost čvrstih elektrolita i zahtjeve za tehnologiju slaganja. Međutim, takvi hibridni elektroliti još su u fazi istraživanja i nema komercijalnih primjera.

Razmatranja komercijalnog razvoja elektrolita

Najveće prednosti krutih elektrolita su visoka sigurnost i dug životni ciklus, ali treba pažljivo razmotriti sljedeće točke pri procjeni alternativnih tekućih ili krutih elektrolita:

• Proces proizvodnje i projektiranje sustava čvrstog elektrolita. Laboratorijske mjerne baterije obično se sastoje od čvrstih čestica elektrolita debljine nekoliko stotina mikrona, obloženih s jedne strane elektroda. Ove male čvrste ćelije nisu reprezentativne za izvedbu potrebnu za velike ćelije (10 do 100 Ah), budući da je kapacitet od 10 ~ 100 Ah minimalna specifikacija potrebna za trenutne baterije.
• Kruti elektrolit također zamjenjuje ulogu dijafragme. Budući da su njegova težina i debljina mnogo veće od PP/PE dijafragme, mora se prilagoditi kako bi se postigla gustoća težine≥350 Wh/kgi gustoću energije≥900Wh/L kako bi se izbjeglo ometanje njegove komercijalizacije.

Baterija uvijek do neke mjere predstavlja sigurnosni rizik. Čvrsti elektroliti, iako su sigurniji od tekućina, nisu nužno nezapaljivi. Neki polimeri i anorganski elektroliti mogu reagirati s kisikom ili vodom, stvarajući toplinu i otrovne plinove koji također predstavljaju opasnost od požara i eksplozije. Osim pojedinačnih ćelija, plastika, kućišta i materijali pakiranja mogu uzrokovati nekontrolirano izgaranje. Stoga je u konačnici potreban holistički sigurnosni test na razini sustava.