Baggrund

I 1800 byggede den italienske fysiker A. Volta den voltaiske bunke, som åbnede begyndelsen på praktiske batterier og beskrev for første gang vigtigheden af ​​elektrolyt i elektrokemiske energilagringsenheder. Elektrolytten kan ses som et elektronisk isolerende og ionledende lag i form af væske eller fast stof, indsat mellem de negative og positive elektroder. I øjeblikket fremstilles den mest avancerede elektrolyt ved at opløse det faste lithiumsalt (f.eks. LiPF6) i ikke-vandigt organisk carbonatopløsningsmiddel (f.eks. EC og DMC). I henhold til den generelle celleform og -design tegner elektrolytten sig typisk for 8% til 15% af cellevægten. Hvad's mere, dens brændbarhed og optimale driftstemperaturområde på -10°C til 60°C i høj grad hindrer yderligere forbedring af batteriets energitæthed og sikkerhed. Derfor anses innovative elektrolytformuleringer for at være nøglen til udviklingen af ​​den næste generation af nye batterier.

Forskere arbejder også på at udvikle forskellige elektrolytsystemer. For eksempel brugen af ​​fluorerede opløsningsmidler, der kan opnå effektiv lithiummetalcykling, organiske eller uorganiske faste elektrolytter, der er til gavn for køretøjsindustrien og "solid state-batterier" (SSB). Hovedårsagen er, at hvis den faste elektrolyt erstatter den originale flydende elektrolyt og membran, kan sikkerheden, den enkelte energitæthed og batteriets levetid forbedres væsentligt. Dernæst opsummerer vi hovedsageligt forskningsfremskridtene for faste elektrolytter med forskellige materialer.

Uorganiske faste elektrolytter

Uorganiske faste elektrolytter er blevet brugt i kommercielle elektrokemiske energilagringsenheder, såsom nogle genopladelige højtemperaturbatterier Na-S, Na-NiCl2-batterier og primære Li-I2-batterier. Tilbage i 2019 demonstrerede Hitachi Zosen (Japan) et all-solid-state posebatteri på 140 mAh til brug i rummet og testet på den internationale rumstation (ISS). Dette batteri er sammensat af en sulfidelektrolyt og andre ikke-oplyste batterikomponenter, der er i stand til at fungere mellem -40°C og 100°C. I 2021 introducerer virksomheden et solidt batteri med højere kapacitet på 1.000 mAh. Hitachi Zosen ser behovet for solide batterier til barske miljøer såsom plads og industrielt udstyr, der opererer i typiske miljøer. Virksomheden planlægger at fordoble batterikapaciteten inden 2025. Men indtil videre er der ikke noget hyldevare helt fast-state batteriprodukt, der kan bruges i elektriske køretøjer.

Organiske halvfaste og faste elektrolytter

Inden for kategorien organiske faste elektrolytter har franske Bolloré med succes kommercialiseret en gel-type PVDF-HFP-elektrolyt og en gel-type PEO-elektrolyt. Virksomheden har også lanceret pilotprogrammer for delebiler i Nordamerika, Europa og Asien for at anvende denne batteriteknologi på elektriske køretøjer, men dette polymerbatteri er aldrig blevet bredt brugt i personbiler. En faktor, der bidrager til deres dårlige kommercielle anvendelse, er, at de kun kan bruges ved relativt høje temperaturer (50°C til 80°C) og lavspændingsområder. Disse batterier bliver nu brugt i erhvervskøretøjer, såsom nogle bybusser. Der er ingen tilfælde af arbejde med rene faste polymerelektrolytbatterier ved stuetemperatur (dvs. omkring 25°C).

Den halvfaste kategori omfatter højviskose elektrolytter, såsom salt-opløsningsmiddelblandinger, elektrolytopløsningen, der har en saltkoncentration højere end standarden 1 mol/L, med koncentrationer eller mætningspunkter så høje som 4 mol/L. Et problem med koncentrerede elektrolytblandinger er det relativt høje indhold af fluorerede salte, hvilket også rejser spørgsmål om lithiumindholdet og miljøpåvirkningen af ​​sådanne elektrolytter. Dette skyldes, at kommercialiseringen af ​​et modent produkt kræver en omfattende livscyklusanalyse. Og råmaterialerne til de tilberedte halvfaste elektrolytter skal også være enkle og let tilgængelige for lettere at kunne integreres i elektriske køretøjer.

Hybride elektrolytter

Hybride elektrolytter, også kendt som blandede elektrolytter, kan modificeres baseret på vandige/organiske opløsningsmiddel hybridelektrolytter eller ved at tilsætte en ikke-vandig flydende elektrolytopløsning til en fast elektrolyt under hensyntagen til fremstillingsevnen og skalerbarheden af ​​faste elektrolytter og kravene til stablingsteknologi. Sådanne hybridelektrolytter er dog stadig på forskningsstadiet, og der er ingen kommercielle eksempler.

Overvejelser for kommerciel udvikling af elektrolytter

De største fordele ved faste elektrolytter er høj sikkerhed og lang levetid, men følgende punkter bør overvejes nøje, når man vurderer alternative flydende eller faste elektrolytter:

• Fremstillingsproces og systemdesign af fast elektrolyt. Laboratoriemålerbatterier består typisk af faste elektrolytpartikler med flere hundrede mikrometer tykke, belagt på den ene side af elektroderne. Disse små solide celler er ikke repræsentative for den ydeevne, der kræves for store celler (10 til 100Ah), da en kapacitet på 10~100Ah er minimumsspecifikationen, der kræves for nuværende strømbatterier.
• Fast elektrolyt erstatter også diafragmaens rolle. Da dens vægt og tykkelse er større end PP/PE-membranen, skal den justeres for at opnå vægttæthed≥350Wh/kgog energitæthed≥900Wh/L for at undgå at hæmme dets kommercialisering.

Batteri er altid en sikkerhedsrisiko til en vis grad. Faste elektrolytter er, selvom de er sikrere end væsker, ikke nødvendigvis ikke-brændbare. Nogle polymerer og uorganiske elektrolytter kan reagere med ilt eller vand og producere varme og giftige gasser, der også udgør en brand- og eksplosionsfare. Ud over enkeltceller kan plastik, etuier og pakkematerialer forårsage ukontrollerbar forbrænding. Så i sidste ende er der behov for en holistisk sikkerhedstest på systemniveau.