Фон

През 1800 г. италианският физик А. Волта построява волтова купчина, която поставя началото на практичните батерии и описва за първи път значението на електролита в електрохимичните устройства за съхранение на енергия. Електролитът може да се разглежда като електронно изолиращ и йонопроводим слой под формата на течност или твърдо вещество, поставен между отрицателния и положителния електрод. В момента най-модерният електролит се получава чрез разтваряне на твърда литиева сол (напр. LiPF6) в неводен органичен карбонатен разтворител (напр. EC и DMC). Според общата форма и дизайн на клетката, електролитът обикновено представлява 8% до 15% от теглото на клетката. Какво'Нещо повече, неговата запалимост и оптимален работен температурен диапазон от -10°С до 60°C значително възпрепятства по-нататъшното подобряване на енергийната плътност и безопасността на батерията. Следователно иновативните електролитни формули се считат за ключов фактор за разработването на следващото поколение нови батерии.

Изследователите също работят за разработването на различни електролитни системи. Например, използването на флуорирани разтворители, които могат да постигнат ефикасно циклиране на литиево-металния метал, органични или неорганични твърди електролити, които са от полза за автомобилната индустрия и „твърдотелни батерии“ (SSB). Основната причина е, че ако твърдият електролит замени оригиналния течен електролит и диафрагмата, безопасността, единичната енергийна плътност и животът на батерията могат да бъдат значително подобрени. След това основно обобщаваме напредъка на изследванията на твърди електролити с различни материали.

Неорганични твърди електролити

Неорганични твърди електролити са използвани в търговски електрохимични устройства за съхранение на енергия, като някои високотемпературни акумулаторни батерии Na-S, Na-NiCl2 батерии и първични Li-I2 батерии. Още през 2019 г. Hitachi Zosen (Япония) демонстрира изцяло твърдотелна торбичка от 140 mAh, която да се използва в космоса и да се тества на Международната космическа станция (МКС). Тази батерия е съставена от сулфиден електролит и други неразкрити компоненти на батерията, като може да работи между -40°С и 100°C. През 2021 г. компанията въвежда солидна батерия с по-голям капацитет от 1000 mAh. Hitachi Zosen вижда необходимостта от солидни батерии за тежки среди като космическо и индустриално оборудване, работещо в типични среди. Компанията планира да удвои капацитета на батерията до 2025 г. Но досега няма готов батериен продукт с изцяло твърдо състояние, който да може да се използва в електрически превозни средства.

Органични полутвърди и твърди електролити

В категорията органични твърди електролити, френската Bolloré успешно комерсиализира електролит PVDF-HFP от гел тип и PEO електролит от гел тип. Компанията също така стартира пилотни програми за споделяне на автомобили в Северна Америка, Европа и Азия, за да приложи тази технология за батерии в електрически превозни средства, но тази полимерна батерия никога не е била широко разпространена в леките автомобили. Един фактор, допринасящ за лошото им търговско приемане е, че те могат да се използват само при относително високи температури (50°С до 80°C) и диапазони на ниско напрежение. Тези батерии сега се използват в търговски превозни средства, като някои градски автобуси. Няма случаи на работа с батерии с чист полимерен електролит при стайна температура (т.е. около 25°В).

Полутвърдата категория включва силно вискозни електролити, като смеси сол-разтворител, електролитен разтвор, който има концентрация на сол, по-висока от стандартния 1 mol/L, с концентрации или точки на насищане до 4 mol/L. Загриженост при концентрираните електролитни смеси е сравнително високото съдържание на флуорирани соли, което също повдига въпроси относно съдържанието на литий и въздействието върху околната среда на такива електролити. Това е така, защото комерсиализацията на зрял продукт изисква цялостен анализ на жизнения цикъл. И суровините за приготвените полутвърди електролити също трябва да бъдат прости и лесно достъпни, за да бъдат по-лесно интегрирани в електрически превозни средства.

Хибридни електролити

Хибридните електролити, известни също като смесени електролити, могат да бъдат модифицирани на базата на хибридни електролити с воден/органичен разтворител или чрез добавяне на неводен течен електролитен разтвор към твърд електролит, като се има предвид възможността за производство и мащабируемост на твърдите електролити и изискванията за технологията на стекиране. Такива хибридни електролити обаче все още са в етап на изследване и няма търговски примери.

Съображения за търговско развитие на електролити

Най-големите предимства на твърдите електролити са високата безопасност и дългият цикъл на живот, но следните точки трябва да бъдат внимателно разгледани, когато се оценяват алтернативни течни или твърди електролити:

• Производствен процес и системно проектиране на твърд електролит. Батериите за лабораторни измервателни уреди обикновено се състоят от твърди електролитни частици с дебелина няколкостотин микрона, покрити от едната страна на електродите. Тези малки твърди клетки не са представителни за производителността, необходима за големи клетки (10 до 100Ah), тъй като капацитетът от 10~100Ah е минималната спецификация, изисквана за настоящите захранващи батерии.
• Твърдият електролит замества и ролята на диафрагмата. Тъй като теглото и дебелината му са много по-големи от PP/PE диафрагмата, тя трябва да се регулира, за да се постигне плътност на теглото≥350Wh/кги енергийна плътност≥900Wh/L, за да се избегне възпрепятстване на комерсиализацията му.

Батерията винаги е риск за безопасността до известна степен. Въпреки че твърдите електролити са по-безопасни от течните, не е задължително да са незапалими. Някои полимери и неорганични електролити могат да реагират с кислород или вода, произвеждайки топлина и токсични газове, които също представляват опасност от пожар и експлозия. В допълнение към единичните клетки, пластмасите, кутиите и опаковъчните материали могат да причинят неконтролируемо горене. Така че в крайна сметка е необходим холистичен тест за безопасност на системно ниво.