Фон

У 1800 році італійський фізик А. Вольта побудував вольтовий стовп, який відкрив початок практичних батарей і вперше описав важливість електроліту в електрохімічних накопичувачах енергії. Електроліт можна розглядати як електроізоляційний і іонопровідний шар у формі рідини або твердої речовини, вставлений між негативним і позитивним електродами. Наразі найдосконаліший електроліт виготовляється шляхом розчинення твердої солі літію (наприклад, LiPF6) у неводному органічному карбонатному розчиннику (наприклад, EC та DMC). Відповідно до загальної форми та конструкції елемента, електроліт зазвичай становить від 8% до 15% маси елемента. Що's більше, його горючість і оптимальний діапазон робочих температур -10°С до 60°C значно перешкоджають подальшому вдосконаленню щільності енергії акумулятора та безпеки. Таким чином, інноваційні формули електролітів вважаються ключовим чинником для розробки наступного покоління нових батарей.

Дослідники також працюють над розробкою різних систем електролітів. Наприклад, використання фторованих розчинників, які можуть досягти ефективного циклу металевого літію, органічних або неорганічних твердих електролітів, які є корисними для автомобільної промисловості, і «твердотільних акумуляторів» (SSB). Основна причина полягає в тому, що якщо твердий електроліт замінить оригінальний рідкий електроліт і діафрагму, безпека, одноразова щільність енергії та термін служби батареї можуть бути значно покращені. Далі ми в основному підсумовуємо прогрес досліджень твердих електролітів з різними матеріалами.

Неорганічні тверді електроліти

Неорганічні тверді електроліти використовуються в комерційних електрохімічних накопичувачах енергії, таких як деякі високотемпературні акумуляторні батареї Na-S, Na-NiCl2 батареї та первинні Li-I2 батареї. Ще в 2019 році компанія Hitachi Zosen (Японія) продемонструвала повністю твердотільний пакетний акумулятор ємністю 140 мАг для використання в космосі та тестування на Міжнародній космічній станції (МКС). Ця батарея складається з сульфідного електроліту та інших нерозкритих компонентів батареї, здатна працювати в межах -40°C і 100°C. У 2021 році компанія представляє твердотільну батарею більшої ємності на 1000 мАг. Hitachi Zosen бачить потребу в твердих батареях для суворих умов, таких як космічне та промислове обладнання, що працює в типових умовах. Компанія планує подвоїти ємність батареї до 2025 року. Але наразі не існує готової повністю твердотільної батареї, яку можна використовувати в електромобілях.

Органічні напівтверді та тверді електроліти

У категорії органічних твердих електролітів французька компанія Bolloré успішно вивела на комерціалізацію електроліт PVDF-HFP гелевого типу та електроліт PEO гелевого типу. Компанія також запустила пілотні програми спільного використання автомобілів у Північній Америці, Європі та Азії, щоб застосувати цю технологію акумуляторів для електромобілів, але ця полімерна батарея ніколи не була широко застосована в легкових автомобілях. Одним із факторів, що сприяє їх поганому комерційному застосуванню, є те, що їх можна використовувати лише при відносно високих температурах (50°С до 80°C) і діапазони низької напруги. Зараз ці батареї використовуються в комерційних транспортних засобах, таких як деякі міські автобуси. Випадків роботи з акумуляторами з чистим твердим полімерним електролітом при кімнатній температурі (тобто близько 25 °С) немає.°C).

Напівтверда категорія включає електроліти з високою в’язкістю, такі як суміші сіль-розчинник, розчин електроліту, який має концентрацію солі вище стандартного 1 моль/л, з концентраціями або точками насичення до 4 моль/л. Проблемою концентрованих сумішей електролітів є відносно високий вміст фторованих солей, що також викликає сумніви щодо вмісту літію та впливу таких електролітів на навколишнє середовище. Це пояснюється тим, що комерціалізація зрілого продукту вимагає комплексного аналізу життєвого циклу. Сировина для приготування напівтвердих електролітів також має бути простою та легкодоступною, щоб її було легше інтегрувати в електромобілі.

Гібридні електроліти

Гібридні електроліти, також відомі як змішані електроліти, можна модифікувати на основі гібридних електролітів на основі водних/органічних розчинників або шляхом додавання неводного розчину рідкого електроліту до твердого електроліту, враховуючи технологічність і масштабованість твердих електролітів і вимоги до технології стекування. Однак такі гібридні електроліти все ще знаходяться на стадії досліджень і комерційних прикладів немає.

Міркування щодо комерційної розробки електролітів

Найбільшими перевагами твердих електролітів є висока безпека та тривалий термін служби, але при оцінці альтернативних рідких або твердих електролітів слід ретельно враховувати наступні моменти:

• Процес виробництва та проектування системи твердого електроліту. Батареї лабораторних датчиків зазвичай складаються з частинок твердого електроліту товщиною в кілька сотень мікрон, покритих з одного боку електродів. Ці малі тверді елементи не відображають продуктивність, необхідну для великих елементів (від 10 до 100 А·год), оскільки ємність 10~100 А·год є мінімальною специфікацією, необхідною для поточних акумуляторів.
• Твердий електроліт також замінює роль діафрагми. Оскільки його вага та товщина набагато більші, ніж діафрагма з ПП/ПЕ, її необхідно відрегулювати для досягнення щільності ваги≥350 Вт-год/кгі щільність енергії≥900 Вт/год/L, щоб уникнути перешкоджання його комерціалізації.

Акумулятор завжди певною мірою загрожує безпеці. Хоча тверді електроліти безпечніші за рідини, вони не обов’язково є негорючими. Деякі полімери та неорганічні електроліти можуть реагувати з киснем або водою, утворюючи тепло та токсичні гази, які також становлять небезпеку пожежі та вибуху. Окрім окремих елементів, неконтрольоване горіння може спричинити пластик, корпуси та пакувальні матеріали. Тож, зрештою, необхідний комплексний тест безпеки на системному рівні.