Позадина

Италијански физичар А. Волта је 1800. године изградио волтаичну гомилу, која је отворила почетак практичних батерија и по први пут описао значај електролита у електрохемијским уређајима за складиштење енергије. Електролит се може посматрати као електронски изолациони и јонски проводни слој у облику течности или чврсте материје, уметнут између негативне и позитивне електроде. Тренутно, најнапреднији електролит се прави растварањем чврсте литијумове соли (нпр. ЛиПФ6) у неводеном органском карбонатном растварачу (нпр. ЕЦ и ДМЦ). Према општем облику и дизајну ћелије, електролит обично чини 8% до 15% тежине ћелије. ста'с више, његова запаљивост и оптималан опсег радне температуре од -10°Ц до 60°Ц у великој мери омета даље побољшање густине енергије батерије и безбедности. Стога се иновативне формулације електролита сматрају кључним фактором за развој следеће генерације нових батерија.

Истраживачи такође раде на развоју различитих система електролита. На пример, употреба флуорованих растварача који могу да постигну ефикасну циркулацију метала литијума, органских или неорганских чврстих електролита који су од користи за индустрију возила и „чврсте батерије“ (ССБ). Главни разлог је тај што ако чврсти електролит замени оригинални течни електролит и дијафрагму, сигурност, појединачна густина енергије и животни век батерије могу се значајно побољшати. Затим, углавном сумирамо напредак истраживања чврстих електролита са различитим материјалима.

Неоргански чврсти електролити

Неоргански чврсти електролити су коришћени у комерцијалним уређајима за складиштење електрохемијске енергије, као што су неке пуњиве батерије на високој температури На-С, На-НиЦл2 батерије и примарне Ли-И2 батерије. Још 2019. године, Хитацхи Зосен (Јапан) је демонстрирао потпуно чврсту батерију од 140 мАх која ће се користити у свемиру и тестирана на Међународној свемирској станици (ИСС). Ова батерија се састоји од сулфидног електролита и других неоткривених компоненти батерије, и може да ради између -40°Ц и 100°Ц. 2021. компанија уводи солидну батерију већег капацитета од 1.000 мАх. Хитацхи Зосен види потребу за чврстим батеријама за тешке услове као што су простор и индустријска опрема која ради у типичним окружењима. Компанија планира да удвостручи капацитет батерије до 2025. Али до сада, не постоји производ са потпуно чврстим батеријама који се може користити у електричним возилима.

Органски получврсти и чврсти електролити

У категорији органских чврстих електролита, француски Боллоре је успешно комерцијализовао ПВДФ-ХФП електролит у облику гела и ПЕО електролит у облику гела. Компанија је такође покренула пилот програме дељења аутомобила у Северној Америци, Европи и Азији како би применила ову технологију батерија на електрична возила, али ова полимерна батерија никада није била широко прихваћена у путничким аутомобилима. Један фактор који доприноси њиховом лошем комерцијалном усвајању је то што се могу користити само на релативно високим температурама (50°Ц до 80°Ц) и ниског напона. Ове батерије се сада користе у комерцијалним возилима, као што су неки градски аутобуси. Не постоје случајеви рада са батеријама од чистог чврстог полимера електролита на собној температури (тј. око 25°Ц).

Получврста категорија укључује високо вискозне електролите, као што су мешавине соли и растварача, раствор електролита који има концентрацију соли већу од стандардне 1 мол/Л, са концентрацијама или тачкама засићења до 4 мол/Л. Забринутост у вези са концентрованим мешавинама електролита је релативно висок садржај флуорованих соли, што такође поставља питања о садржају литијума и утицају таквих електролита на животну средину. То је зато што комерцијализација зрелог производа захтева свеобухватну анализу животног циклуса. И сировине за припремљене получврсте електролите такође морају бити једноставне и лако доступне да би се лакше интегрисале у електрична возила.

Хибридни електролити

Хибридни електролити, такође познати као мешани електролити, могу се модификовати на основу хибридних електролита воденог/органског растварача или додавањем неводеног раствора течног електролита чврстом електролиту, с обзиром на производност и скалабилност чврстих електролита и захтеве за технологију слагања. Међутим, такви хибридни електролити су још увек у фази истраживања и нема комерцијалних примера.

Разматрања за комерцијални развој електролита

Највеће предности чврстих електролита су висока сигурност и дуг животни век, али следеће тачке треба пажљиво размотрити приликом процене алтернативних течних или чврстих електролита:

• Процес производње и пројектовање система чврстог електролита. Батерије за лабораторијске мере се обично састоје од чврстих честица електролита дебљине неколико стотина микрона, обложених са једне стране електрода. Ове мале чврсте ћелије нису репрезентативне за перформансе потребне за велике ћелије (10 до 100Ах), пошто је капацитет од 10~100Ах минимална спецификација потребна за тренутне батерије.
• Чврсти електролит такође замењује улогу дијафрагме. Пошто су његова тежина и дебљина каша веће од ПП/ПЕ дијафрагме, мора се подесити да би се постигла густина тежине≥350Вх/кги густина енергије≥900Вх/Л да избегне ометање његове комерцијализације.

Батерија је увек у извесној мери безбедносни ризик. Чврсти електролити, иако су сигурнији од течности, нису нужно незапаљиви. Неки полимери и неоргански електролити могу да реагују са кисеоником или водом, производећи топлоту и токсичне гасове који такође представљају опасност од пожара и експлозије. Поред појединачних ћелија, пластика, кућишта и материјали паковања могу изазвати неконтролисано сагоревање. Дакле, на крају, потребан је холистички тест безбедности на нивоу система.