Pozadie

V roku 1800 taliansky fyzik A. Volta zostrojil galvanickú hromadu, ktorá otvorila začiatok praktických batérií a po prvý raz opísala význam elektrolytu v elektrochemických zariadeniach na ukladanie energie. Elektrolyt môže byť videný ako elektronicky izolujúca a iónovo vodivá vrstva vo forme kvapaliny alebo pevnej látky, vložená medzi zápornú a kladnú elektródu. V súčasnosti sa najpokročilejší elektrolyt vyrába rozpustením pevnej lítiovej soli (napr. LiPF6) v nevodnom organickom uhličitanovom rozpúšťadle (napr. EC a DMC). Podľa všeobecnej formy a konštrukcie článku elektrolyt typicky tvorí 8 % až 15 % hmotnosti článku. Čo?'s viac, jeho horľavosť a optimálny rozsah prevádzkových teplôt -10°C až 60°C výrazne bráni ďalšiemu zlepšovaniu hustoty energie batérie a bezpečnosti. Preto sa inovatívne formulácie elektrolytov považujú za kľúčový faktor umožňujúci vývoj novej generácie nových batérií.

Výskumníci tiež pracujú na vývoji rôznych systémov elektrolytov. Napríklad použitie fluórovaných rozpúšťadiel, ktoré môžu dosiahnuť efektívne cyklovanie kovov lítia, organické alebo anorganické tuhé elektrolyty, ktoré sú prínosom pre automobilový priemysel a „pevné batérie“ (SSB). Hlavným dôvodom je, že ak pevný elektrolyt nahradí pôvodný tekutý elektrolyt a membránu, môže sa výrazne zlepšiť bezpečnosť, hustota jednej energie a životnosť batérie. Ďalej zhrnieme najmä pokrok vo výskume tuhých elektrolytov s rôznymi materiálmi.

Anorganické tuhé elektrolyty

Anorganické pevné elektrolyty sa používajú v komerčných zariadeniach na uchovávanie elektrochemickej energie, ako sú niektoré vysokoteplotné nabíjateľné batérie Na-S, Na-NiCl2 batérie a primárne Li-I2 batérie. V roku 2019 spoločnosť Hitachi Zosen (Japonsko) predviedla vreckovú batériu s kapacitou 140 mAh, ktorá sa má použiť vo vesmíre a testovať na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS). Táto batéria sa skladá zo sulfidového elektrolytu a ďalších nezverejnených komponentov batérie a je schopná prevádzky medzi -40°C a 100°C. V roku 2021 spoločnosť predstaví pevnú batériu s vyššou kapacitou 1 000 mAh. Hitachi Zosen vidí potrebu pevných batérií pre drsné prostredia, ako je vesmír a priemyselné zariadenia pracujúce v typických prostrediach. Spoločnosť plánuje zdvojnásobiť kapacitu batérie do roku 2025. Zatiaľ však neexistuje žiadny bežne dostupný produkt s pevnými batériami, ktorý by sa dal použiť v elektrických vozidlách.

Organické polotuhé a tuhé elektrolyty

V kategórii organických pevných elektrolytov francúzska Bolloré úspešne komercializovala gélový elektrolyt PVDF-HFP a gélový PEO elektrolyt. Spoločnosť tiež spustila pilotné programy zdieľania áut v Severnej Amerike, Európe a Ázii s cieľom aplikovať túto technológiu batérií na elektrické vozidlá, ale táto polymérová batéria nebola nikdy široko používaná v osobných automobiloch. Jedným z faktorov, ktorý prispieva k ich slabému komerčnému prijatiu, je to, že sa môžu používať iba pri relatívne vysokých teplotách (50°C až 80°C) a nízkonapäťové rozsahy. Tieto batérie sa teraz používajú v úžitkových vozidlách, ako sú niektoré mestské autobusy. Neexistujú žiadne prípady práce s čistými batériami s pevným polymérovým elektrolytom pri izbovej teplote (tj okolo 25°C).

Kategória polotuhých látok zahŕňa vysoko viskózne elektrolyty, ako sú zmesi soľ-rozpúšťadlo, roztok elektrolytu, ktorý má koncentráciu soli vyššiu ako štandardný 1 mol/l, s koncentráciami alebo bodmi nasýtenia až 4 mol/l. Problémom koncentrovaných zmesí elektrolytov je relatívne vysoký obsah fluórovaných solí, čo tiež vyvoláva otázky o obsahu lítia a vplyve takýchto elektrolytov na životné prostredie. Je to preto, že komercializácia zrelého produktu si vyžaduje komplexnú analýzu životného cyklu. A suroviny pre pripravené polotuhé elektrolyty musia byť tiež jednoduché a ľahko dostupné, aby sa dali ľahšie integrovať do elektrických vozidiel.

Hybridné elektrolyty

Hybridné elektrolyty, tiež známe ako zmiešané elektrolyty, je možné modifikovať na základe hybridných elektrolytov s vodným/organickým rozpúšťadlom alebo pridaním nevodného kvapalného roztoku elektrolytu do tuhého elektrolytu, pričom sa berie do úvahy možnosť výroby a škálovateľnosti pevných elektrolytov a požiadavky na technológiu stohovania. Takéto hybridné elektrolyty sú však stále v štádiu výskumu a neexistujú žiadne komerčné príklady.

Úvahy o komerčnom vývoji elektrolytov

Najväčšie výhody pevných elektrolytov sú vysoká bezpečnosť a dlhá životnosť, ale pri hodnotení alternatívnych tekutých alebo pevných elektrolytov by ste mali starostlivo zvážiť nasledujúce body:

• Výrobný proces a návrh systému tuhého elektrolytu. Laboratórne batérie zvyčajne pozostávajú z pevných častíc elektrolytu s hrúbkou niekoľko stoviek mikrónov, ktoré sú potiahnuté na jednej strane elektród. Tieto malé pevné články nereprezentujú výkon požadovaný pre veľké články (10 až 100 Ah), pretože kapacita 10 ~ 100 Ah je minimálna špecifikácia potrebná pre súčasné napájacie batérie.
• Tuhý elektrolyt nahrádza aj úlohu membrány. Keďže jeho hmotnosť a hrúbka je väčšia ako u PP/PE membrány, musí byť upravená, aby sa dosiahla hustota hmotnosti≥350 Wh/kga hustota energie≥900 Wh/L, aby sa zabránilo jeho komercializácii.

Batéria vždy predstavuje do určitej miery bezpečnostné riziko. Pevné elektrolyty, hoci sú bezpečnejšie ako kvapaliny, nemusia byť nevyhnutne nehorľavé. Niektoré polyméry a anorganické elektrolyty môžu reagovať s kyslíkom alebo vodou za vzniku tepla a toxických plynov, ktoré tiež predstavujú nebezpečenstvo požiaru a výbuchu. Okrem jednotlivých článkov môžu nekontrolovateľné horenie spôsobiť aj plasty, puzdrá a obalové materiály. Takže v konečnom dôsledku je potrebný holistický test bezpečnosti na úrovni systému.