Φόντο

Το 1800, ο Ιταλός φυσικός A. Volta κατασκεύασε τον βολταϊκό σωρό, ο οποίος άνοιξε την αρχή των πρακτικών μπαταριών και περιέγραψε για πρώτη φορά τη σημασία του ηλεκτρολύτη στις ηλεκτροχημικές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ηλεκτρονικά μονωτικό και ιοντοαγώγιμο στρώμα με τη μορφή υγρού ή στερεού, που παρεμβάλλεται μεταξύ του αρνητικού και του θετικού ηλεκτροδίου. Επί του παρόντος, ο πιο προηγμένος ηλεκτρολύτης παράγεται με τη διάλυση του στερεού άλατος λιθίου (π.χ. LiPF6) σε μη υδατικό οργανικό ανθρακικό διαλύτη (π.χ. EC και DMC). Σύμφωνα με τη γενική μορφή και το σχεδιασμό της κυψέλης, ο ηλεκτρολύτης τυπικά αντιπροσωπεύει το 8% έως 15% του βάρους της κυψέλης. Τι's περισσότερο, η ευφλεκτότητά του και το βέλτιστο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας -10°C έως 60°Το C εμποδίζει σημαντικά την περαιτέρω βελτίωση της πυκνότητας και της ασφάλειας της ενέργειας της μπαταρίας. Ως εκ τούτου, οι καινοτόμες συνθέσεις ηλεκτρολυτών θεωρούνται ο βασικός παράγοντας για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς νέων μπαταριών.

Οι ερευνητές εργάζονται επίσης για την ανάπτυξη διαφορετικών συστημάτων ηλεκτρολυτών. Για παράδειγμα, η χρήση φθοριούχων διαλυτών που μπορούν να επιτύχουν αποτελεσματική ανακύκλωση μετάλλου λιθίου, οργανικούς ή ανόργανους στερεούς ηλεκτρολύτες που ωφελούν τη βιομηχανία οχημάτων και τις «μπαταρίες στερεάς κατάστασης» (SSB). Ο κύριος λόγος είναι ότι εάν ο στερεός ηλεκτρολύτης αντικαταστήσει τον αρχικό υγρό ηλεκτρολύτη και το διάφραγμα, η ασφάλεια, η ενιαία ενεργειακή πυκνότητα και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά. Στη συνέχεια, συνοψίζουμε κυρίως την πρόοδο της έρευνας στερεών ηλεκτρολυτών με διαφορετικά υλικά.

Ανόργανοι στερεοί ηλεκτρολύτες

Ανόργανοι στερεοί ηλεκτρολύτες έχουν χρησιμοποιηθεί σε εμπορικές ηλεκτροχημικές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, όπως μερικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες υψηλής θερμοκρασίας Na-S, Na-NiCl2 και πρωτεύουσες μπαταρίες Li-I2. Το 2019, η Hitachi Zosen (Ιαπωνία) παρουσίασε μια μπαταρία θήκης 140 mAh σε στερεά κατάσταση που θα χρησιμοποιηθεί στο διάστημα και θα δοκιμαστεί στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Αυτή η μπαταρία αποτελείται από έναν θειούχο ηλεκτρολύτη και άλλα άγνωστα στοιχεία μπαταρίας, τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν μεταξύ -40°Γ και 100°Γ. Το 2021 η εταιρεία εισάγει μια στερεά μπαταρία μεγαλύτερης χωρητικότητας 1.000 mAh. Η Hitachi Zosen βλέπει την ανάγκη για συμπαγείς μπαταρίες για σκληρά περιβάλλοντα όπως ο χώρος και ο βιομηχανικός εξοπλισμός που λειτουργούν σε τυπικά περιβάλλοντα. Η εταιρεία σχεδιάζει να διπλασιάσει τη χωρητικότητα της μπαταρίας μέχρι το 2025. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, δεν υπάρχει κανένα προϊόν μπαταρίας σε πλήρη κατάσταση στερεάς κατάστασης που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρικά οχήματα.

Οργανικοί ημιστερεοί και στερεοί ηλεκτρολύτες

Στην κατηγορία των οργανικών στερεών ηλεκτρολυτών, η γαλλική Bolloré έθεσε στο εμπόριο με επιτυχία έναν ηλεκτρολύτη PVDF-HFP τύπου gel και έναν ηλεκτρολύτη PEO τύπου gel. Η εταιρεία έχει επίσης ξεκινήσει πιλοτικά προγράμματα κοινής χρήσης αυτοκινήτων στη Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη και την Ασία για την εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας μπαταριών στα ηλεκτρικά οχήματα, αλλά αυτή η μπαταρία πολυμερούς δεν έχει ποτέ υιοθετηθεί ευρέως στα επιβατικά αυτοκίνητα. Ένας παράγοντας που συμβάλλει στην κακή εμπορική υιοθέτησή τους είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (50°C έως 80°Γ) και περιοχές χαμηλής τάσης. Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται τώρα σε επαγγελματικά οχήματα, όπως ορισμένα αστικά λεωφορεία. Δεν υπάρχουν περιπτώσεις εργασίας με μπαταρίες καθαρού στερεού ηλεκτρολύτη πολυμερούς σε θερμοκρασία δωματίου (δηλ. περίπου 25°ΝΤΟ).

Η κατηγορία ημιστερεού περιλαμβάνει ηλεκτρολύτες υψηλής ιξώδους, όπως μίγματα άλατος-διαλυτών, το διάλυμα ηλεκτρολυτών που έχει συγκέντρωση άλατος υψηλότερη από το τυπικό 1 mol/L, με συγκεντρώσεις ή σημεία κορεσμού έως και 4 mol/L. Μια ανησυχία με τα συμπυκνωμένα μείγματα ηλεκτρολυτών είναι η σχετικά υψηλή περιεκτικότητα σε φθοριούχα άλατα, η οποία επίσης εγείρει ερωτήματα σχετικά με την περιεκτικότητα σε λίθιο και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τέτοιων ηλεκτρολυτών. Αυτό συμβαίνει επειδή η εμπορευματοποίηση ενός ώριμου προϊόντος απαιτεί μια ολοκληρωμένη ανάλυση του κύκλου ζωής. Και οι πρώτες ύλες για τους παρασκευασμένους ημι-στερεούς ηλεκτρολύτες πρέπει επίσης να είναι απλές και άμεσα διαθέσιμες για να ενσωματωθούν πιο εύκολα σε ηλεκτρικά οχήματα.

Υβριδικοί ηλεκτρολύτες

Οι υβριδικοί ηλεκτρολύτες, γνωστοί και ως μικτοί ηλεκτρολύτες, μπορούν να τροποποιηθούν με βάση τους υβριδικούς ηλεκτρολύτες υδατικού/οργανικού διαλύτη ή με την προσθήκη ενός μη υδατικού διαλύματος υγρού ηλεκτρολύτη σε έναν στερεό ηλεκτρολύτη, λαμβάνοντας υπόψη την ικανότητα κατασκευής και την επεκτασιμότητα των στερεών ηλεκτρολυτών και τις απαιτήσεις για τεχνολογία στοίβαξης. Ωστόσο, τέτοιοι υβριδικοί ηλεκτρολύτες βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της έρευνας και δεν υπάρχουν εμπορικά παραδείγματα.

Σκέψεις για την εμπορική ανάπτυξη ηλεκτρολυτών

Τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα των στερεών ηλεκτρολυτών είναι η υψηλή ασφάλεια και η μεγάλη διάρκεια ζωής, αλλά τα ακόλουθα σημεία θα πρέπει να λαμβάνονται προσεκτικά υπόψη κατά την αξιολόγηση εναλλακτικών υγρών ή στερεών ηλεκτρολυτών:

• Διαδικασία κατασκευής και σχεδιασμός συστήματος στερεού ηλεκτρολύτη. Οι μπαταρίες μετρητή εργαστηρίου αποτελούνται συνήθως από στερεά σωματίδια ηλεκτρολύτη με πάχος αρκετών εκατοντάδων μικρών, επικαλυμμένα στη μία πλευρά των ηλεκτροδίων. Αυτές οι μικρές συμπαγείς κυψέλες δεν αντιπροσωπεύουν την απόδοση που απαιτείται για μεγάλες κυψέλες (10 έως 100 Ah), καθώς η χωρητικότητα 10~100 Ah είναι η ελάχιστη προδιαγραφή που απαιτείται για τις τρέχουσες μπαταρίες ισχύος.
• Ο στερεός ηλεκτρολύτης αντικαθιστά επίσης το ρόλο του διαφράγματος. Καθώς το βάρος και το πάχος του είναι μεγαλύτερο από το διάφραγμα PP/PE, πρέπει να ρυθμιστεί για να επιτευχθεί πυκνότητα βάρους≥350 Wh/kgκαι ενεργειακή πυκνότητα≥900Wh/L για να αποφευχθεί η παρεμπόδιση της εμπορευματοποίησής του.

Η μπαταρία αποτελεί πάντα κίνδυνο για την ασφάλεια σε κάποιο βαθμό. Οι στερεοί ηλεκτρολύτες, αν και είναι ασφαλέστεροι από τα υγρά, δεν είναι απαραίτητα μη εύφλεκτοι. Ορισμένα πολυμερή και ανόργανοι ηλεκτρολύτες μπορούν να αντιδράσουν με οξυγόνο ή νερό, παράγοντας θερμότητα και τοξικά αέρια που αποτελούν επίσης κίνδυνο πυρκαγιάς και έκρηξης. Εκτός από τα μεμονωμένα κύτταρα, τα πλαστικά, οι θήκες και τα υλικά συσκευασίας μπορούν να προκαλέσουν ανεξέλεγκτη καύση. Έτσι, τελικά, απαιτείται μια ολιστική δοκιμή ασφάλειας σε επίπεδο συστήματος.