Sfond

Fl-1800, il-fiżiku Taljan A. Volta bena l-munzell voltaic, li fetaħ il-bidu ta 'batteriji prattiċi u ddeskriva għall-ewwel darba l-importanza tal-elettrolit f'apparati tal-ħażna tal-enerġija elettrokimika. L-elettrolit jista 'jitqies bħala saff ta' insulazzjoni elettronika u li jikkonduċi l-jone fil-forma ta 'likwidu jew solidu, imdaħħal bejn l-elettrodi negattivi u pożittivi. Bħalissa, l-aktar elettrolit avvanzat huwa magħmul billi jinħall il-melħ solidu tal-litju (eż. LiPF6) f'solvent karbonat organiku mhux milwiema (eż. EC u DMC). Skont il-forma u d-disinn ġenerali taċ-ċelluli, l-elettrolit tipikament jammonta għal 8% sa 15% tal-piż taċ-ċellula. X'inhu's aktar, fjammabbiltà tagħha u l-aħjar firxa tat-temperatura operattiva ta '-10°Ċ sa 60°C tfixkel ħafna aktar titjib tad-densità u s-sigurtà tal-enerġija tal-batterija. Għalhekk, formulazzjonijiet innovattivi ta 'elettroliti huma kkunsidrati bħala l-faċilitatur ewlieni għall-iżvilupp tal-ġenerazzjoni li jmiss ta' batteriji ġodda.

Ir-riċerkaturi qed jaħdmu wkoll biex jiżviluppaw sistemi ta 'elettroliti differenti. Pereżempju, l-użu ta 'solventi fluworinati li jistgħu jiksbu ċiklu effiċjenti tal-metall tal-litju, elettroliti solidi organiċi jew inorganiċi li huma ta' benefiċċju għall-industrija tal-vetturi u "batteriji ta 'stat solidu" (SSB). Ir-raġuni ewlenija hija li jekk l-elettrolit solidu jissostitwixxi l-elettrolit likwidu oriġinali u d-dijaframma, is-sigurtà, id-densità tal-enerġija waħda u l-ħajja tal-batterija jistgħu jitjiebu b'mod sinifikanti. Sussegwentement, aħna prinċipalment niġbru fil-qosor il-progress tar-riċerka ta 'elettroliti solidi b'materjali differenti.

Elettroliti solidi inorganiċi

Elettroliti solidi inorganiċi ntużaw f'apparati ta 'ħażna ta' enerġija elettrokimika kummerċjali, bħal xi batteriji rikarikabbli f'temperatura għolja Na-S, batteriji Na-NiCl2 u batteriji primarji Li-I2. Lura fl-2019, Hitachi Zosen (il-Ġappun) wera batterija ta 'borża ta' stat solidu kollu ta '140 mAh biex tintuża fl-ispazju u ttestjata fuq l-Istazzjon Spazjali Internazzjonali (ISS). Din il-batterija hija magħmula minn elettrolit tas-sulfid u komponenti oħra tal-batterija mhux żvelati, li jistgħu joperaw bejn -40°C u 100°C. Fl-2021 il-kumpanija qed tintroduċi batterija solida ta 'kapaċità ogħla ta' 1,000 mAh. Hitachi Zosen jara l-ħtieġa għal batteriji solidi għal ambjenti ħarxa bħall-ispazju u tagħmir industrijali li joperaw f'ambjenti tipiċi. Il-kumpanija qed tippjana li tirdoppja l-kapaċità tal-batterija sal-2025. Iżda s'issa, m'hemm l-ebda prodott ta 'batterija ta' stat solidu li jista 'jintuża f'vetturi elettriċi.

Elettroliti organiċi semi-solidi u solidi

Fil-kategorija ta 'elettroliti solidi organiċi, Bolloré ta' Franza kkummerċjalizza b'suċċess elettrolit PVDF-HFP tat-tip ġel u elettrolit PEO tat-tip ġel. Il-kumpanija nediet ukoll programmi pilota ta 'car-sharing fl-Amerika ta' Fuq, l-Ewropa u l-Asja biex tapplika din it-teknoloġija tal-batterija għal vetturi elettriċi, iżda din il-batterija polimeru qatt ma ġiet adottata b'mod wiesa 'f'karozzi tal-passiġġieri. Fattur wieħed li jikkontribwixxi għall-adozzjoni kummerċjali fqira tagħhom huwa li jistgħu jintużaw biss f'temperaturi relattivament għoljin (50°Ċ sa 80°C) u firxiet ta 'vultaġġ baxx. Dawn il-batteriji issa qed jintużaw f'vetturi kummerċjali, bħal xi karozzi tal-linja tal-belt. M'hemm l-ebda każijiet ta 'ħidma ma' batteriji ta 'elettroliti polimeri solidi puri f'temperatura tal-kamra (jiġifieri, madwar 25°C).

Il-kategorija semisolida tinkludi elettroliti viskużi ħafna, bħal taħlitiet ta 'melħ-solvent, is-soluzzjoni ta' elettrolit li għandha konċentrazzjoni ta 'melħ ogħla mill-istandard 1 mol/L, b'konċentrazzjonijiet jew punti ta' saturazzjoni għoljin daqs 4 mol/L. Tħassib dwar taħlitiet ta 'elettroliti kkonċentrati huwa l-kontenut relattivament għoli ta' melħ fluworinat, li jqajjem ukoll mistoqsijiet dwar il-kontenut tal-litju u l-impatt ambjentali ta 'tali elettroliti. Dan għaliex il-kummerċjalizzazzjoni ta' prodott matur teħtieġ analiżi komprensiva taċ-ċiklu tal-ħajja. U l-materja prima għall-elettroliti semi-solidi ppreparati jeħtieġ ukoll li jkunu sempliċi u faċilment disponibbli biex jiġu integrati aktar faċilment fil-vetturi elettriċi.

Elettroliti ibridi

Elettroliti ibridi, magħrufa wkoll bħala elettroliti mħallta, jistgħu jiġu modifikati bbażati fuq elettroliti ibridi ta 'solvent akweu/organiku jew billi żżid soluzzjoni ta' elettrolit likwidu mhux milwiema ma 'elettrolit solidu, meta wieħed iqis il-manifattura u l-iskalabbiltà ta' elettroliti solidi u r-rekwiżiti għat-teknoloġija tal-istivar. Madankollu, tali elettroliti ibridi għadhom fl-istadju ta 'riċerka u m'hemm l-ebda eżempji kummerċjali.

Konsiderazzjonijiet għall-iżvilupp kummerċjali ta 'elettroliti

L-akbar vantaġġi ta 'elettroliti solidi huma sigurtà għolja u ħajja ta' ċiklu twil, iżda l-punti li ġejjin għandhom jitqiesu bir-reqqa meta jiġu evalwati elettroliti likwidi jew solidi alternattivi:

• Proċess ta 'manifattura u disinn tas-sistema ta' elettrolit solidu. Il-batteriji tal-kejl tal-laboratorju tipikament jikkonsistu f'partiċelli ta 'elettroliti solidi b'bosta mijiet ta' mikroni ħoxnin, miksija fuq naħa waħda ta 'l-elettrodi. Dawn iċ-ċelloli solidi żgħar mhumiex rappreżentattivi tal-prestazzjoni meħtieġa għal ċelloli kbar (10 sa 100Ah), peress li l-kapaċità ta '10 ~ 100Ah hija l-ispeċifikazzjoni minima meħtieġa għall-batteriji tal-enerġija kurrenti.
• L-elettrolit solidu jissostitwixxi wkoll ir-rwol tad-dijaframma. Peress li l-piż u l-ħxuna tiegħu huma mush akbar mid-dijaframma PP/PE, għandu jiġi aġġustat biex tinkiseb densità tal-piż≥350Wh/kgu d-densità tal-enerġija≥900Wh/L biex tevita li tfixkel il-kummerċjalizzazzjoni tagħha.

Il-batterija hija dejjem riskju għas-sigurtà sa ċertu punt. L-elettroliti solidi, għalkemm huma aktar sikuri minn likwidi, mhux neċessarjament ma jaqbdux. Xi polimeri u elettroliti inorganiċi jistgħu jirreaġixxu ma 'ossiġnu jew ilma, li jipproduċu sħana u gassijiet tossiċi li wkoll joħolqu periklu ta' nar u splużjoni. Minbarra ċelloli singoli, plastiks, kaxxi u materjali tal-pakkett jistgħu jikkawżaw kombustjoni inkontrollabbli. Għalhekk fl-aħħar mill-aħħar, test tas-sigurtà olistiku fil-livell tas-sistema huwa meħtieġ.