Позадина

Во 1800 година, италијанскиот физичар А. Волта го изградил волтаичниот куп, кој го отворил почетокот на практичните батерии и за прв пат ја опишал важноста на електролитот во електрохемиските уреди за складирање на енергија. Електролитот може да се гледа како електронски изолациски и јоно-проводен слој во форма на течна или цврста, вметната помеѓу негативните и позитивните електроди. Во моментов, најнапредниот електролит се прави со растворање на цврстата литиумска сол (на пр. LiPF6) во неводен органски карбонат растворувач (на пр. EC и DMC). Според општата форма и дизајн на ќелијата, електролитот обично претставува 8% до 15% од тежината на ќелијата. Што'и повеќе, неговата запаливост и оптималниот опсег на работна температура од -10°C до 60°C во голема мера го попречува понатамошното подобрување на густината и безбедноста на енергијата на батеријата. Затоа, иновативните формулации за електролити се сметаат за клучен овозможувач за развој на следната генерација на нови батерии.

Истражувачите исто така работат на развој на различни електролитски системи. На пример, употребата на флуорирани растворувачи кои можат да постигнат ефикасен циклус на литиум метал, органски или неоргански цврсти електролити кои се од корист за индустријата за возила и „батерии во цврста состојба“ (SSB). Главната причина е што ако цврстиот електролит ги замени оригиналниот течен електролит и дијафрагмата, безбедноста, единечната густина на енергија и животниот век на батеријата може значително да се подобрат. Следно, ние главно го сумираме напредокот во истражувањето на цврстите електролити со различни материјали.

Неоргански цврсти електролити

Неоргански цврсти електролити се користат во комерцијални електрохемиски уреди за складирање на енергија, како што се некои батерии за полнење на висока температура Na-S, батерии Na-NiCl2 и примарни Li-I2 батерии. Уште во 2019 година, Hitachi Zosen (Јапонија) демонстрираше целосно цврста батерија од 140 mAh што ќе се користи во вселената и ќе се тестира на Меѓународната вселенска станица (ISS). Оваа батерија е составена од сулфиден електролит и други непознати компоненти на батеријата, кои можат да работат помеѓу -40°C и 100°В. Во 2021 година компанијата воведува солидна батерија со поголем капацитет од 1.000 mAh. Hitachi Zosen ја гледа потребата од цврсти батерии за сурови средини како што се просторот и индустриската опрема кои работат во типични средини. Компанијата планира да го удвои капацитетот на батериите до 2025 година. Но, досега, не постои целосно цврста состојба на батериски производ што може да се користи во електрични возила.

Органски полуцврсти и цврсти електролити

Во категоријата органски цврст електролит, француската Bolloré успешно комерцијализираше PVDF-HFP електролит од гел и PEO електролит од гел. Компанијата исто така започна пилот програми за споделување автомобили во Северна Америка, Европа и Азија за да ја примени оваа технологија за батерии на електрични возила, но оваа полимерна батерија никогаш не била широко прифатена во патничките автомобили. Еден фактор што придонесува за нивното лошо комерцијално усвојување е тоа што тие можат да се користат само на релативно високи температури (50°C до 80°В) и нисконапонски опсези. Овие батерии сега се користат во комерцијални возила, како што се некои градски автобуси. Нема случаи на работа со батерии со чист полимер електролит на собна температура (т.е. околу 25°В).

Категоријата полуцврсти вклучува високо вискозни електролити, како што се мешавини сол-растворувачи, раствор на електролит кој има концентрација на сол повисока од стандардниот 1 mol/L, со концентрации или точки на заситеност високи до 4 mol/L. Загриженост за концентрираните мешавини на електролити е релативно високата содржина на флуорирани соли, што исто така покренува прашања за содржината на литиум и влијанието врз животната средина на таквите електролити. Тоа е затоа што комерцијализацијата на зрел производ бара сеопфатна анализа на животниот циклус. И суровините за подготвените полуцврсти електролити, исто така, треба да бидат едноставни и лесно достапни за полесно да се интегрираат во електричните возила.

Хибридни електролити

Хибридните електролити, исто така познати како мешани електролити, може да се модифицираат врз основа на хибридни електролити на воден/органски растворувач или со додавање на неводен течен електролит раствор на цврст електролит, земајќи ја предвид способноста за производство и приспособливост на цврстите електролити и барањата за технологија на редење. Сепак, ваквите хибридни електролити се уште се во фаза на истражување и нема комерцијални примери.

Размислувања за комерцијален развој на електролити

Најголемите предности на цврстите електролити се високата безбедност и долгиот циклус на траење, но следниве точки треба внимателно да се земат предвид кога се оценуваат алтернативните течни или цврсти електролити:

• Процес на производство и дизајн на системот на цврст електролит. Лабораториските мерачни батерии обично се состојат од цврсти електролитни честички со дебелина од неколку стотици микрони, обложени на едната страна од електродите. Овие мали цврсти ќелии не се репрезентативни за перформансите потребни за големи ќелии (10 до 100Ah), бидејќи капацитетот од 10~100Ah е минималната спецификација потребна за тековните напојувачки батерии.
• Цврстиот електролит исто така ја заменува улогата на дијафрагмата. Бидејќи неговата тежина и дебелина се многу поголеми од PP/PE дијафрагмата, таа мора да се прилагоди за да се постигне густина на тежината≥350 Wh/kgи енергетската густина≥900 Wh/L за да се избегне попречување на неговата комерцијализација.

Батеријата е секогаш безбедносен ризик до одреден степен. Цврстите електролити, иако се побезбедни од течностите, не се нужно незапаливи. Некои полимери и неоргански електролити можат да реагираат со кислород или вода, создавајќи топлина и отровни гасови кои исто така претставуваат опасност од пожар и експлозија. Покрај единечните ќелии, пластиката, куќиштата и материјалите од пакувањето може да предизвикаат неконтролирано согорување. Така, на крајот, потребен е сеопфатен безбедносен тест на системско ниво.