Bakgrunn

I 1800 bygde den italienske fysikeren A. Volta den voltaiske haugen, som åpnet begynnelsen på praktiske batterier og beskrev for første gang viktigheten av elektrolytt i elektrokjemiske energilagringsenheter. Elektrolytten kan sees på som et elektronisk isolerende og ioneledende lag i form av væske eller fast stoff, satt inn mellom de negative og positive elektrodene. For tiden er den mest avanserte elektrolytten laget ved å løse det faste litiumsaltet (f.eks. LiPF6) i ikke-vandig organisk karbonatløsningsmiddel (f.eks. EC og DMC). I henhold til den generelle celleformen og designen, utgjør elektrolytten vanligvis 8% til 15% av cellevekten. Hva's mer, dens brennbarhet og optimale driftstemperaturområde på -10°C til 60°C i stor grad hindre ytterligere forbedring av batteriets energitetthet og sikkerhet. Derfor anses innovative elektrolyttformuleringer for å være nøkkelen for utviklingen av neste generasjon nye batterier.

Forskere jobber også med å utvikle ulike elektrolyttsystemer. For eksempel bruk av fluorholdige løsningsmidler som kan oppnå effektiv syklus av litiummetall, organiske eller uorganiske faste elektrolytter som er fordelaktige for kjøretøyindustrien og "solid state-batterier" (SSB). Hovedårsaken er at hvis den faste elektrolytten erstatter den originale flytende elektrolytten og membranen, kan sikkerheten, enkeltenergitettheten og levetiden til batteriet forbedres betydelig. Deretter oppsummerer vi hovedsakelig forskningsfremgangen til faste elektrolytter med forskjellige materialer.

Uorganiske faste elektrolytter

Uorganiske faste elektrolytter har blitt brukt i kommersielle elektrokjemiske energilagringsenheter, for eksempel noen oppladbare høytemperaturbatterier Na-S, Na-NiCl2-batterier og primære Li-I2-batterier. Tilbake i 2019 demonstrerte Hitachi Zosen (Japan) et all-solid-state posebatteri på 140 mAh som skal brukes i verdensrommet og testes på den internasjonale romstasjonen (ISS). Dette batteriet er sammensatt av en sulfidelektrolytt og andre ikke avslørte batterikomponenter, og kan fungere mellom -40°C og 100°C. I 2021 introduserer selskapet et solid batteri med høyere kapasitet på 1000 mAh. Hitachi Zosen ser behovet for solide batterier for tøffe miljøer som plass og industrielt utstyr som opererer i typiske miljøer. Selskapet planlegger å doble batterikapasiteten innen 2025. Men foreløpig er det ikke noe hyllevare helt solid-state batteriprodukt som kan brukes i elektriske kjøretøy.

Organiske halvfaste og faste elektrolytter

I kategorien organisk fast elektrolytt har franske Bolloré med suksess kommersialisert en gel-type PVDF-HFP elektrolytt og en gel-type PEO elektrolytt. Selskapet har også lansert pilotprogrammer for bildeling i Nord-Amerika, Europa og Asia for å bruke denne batteriteknologien på elektriske kjøretøy, men dette polymerbatteriet har aldri blitt tatt i bruk i personbiler. En faktor som bidrar til deres dårlige kommersielle bruk er at de bare kan brukes ved relativt høye temperaturer (50°C til 80°C) og lavspenningsområder. Disse batteriene brukes nå i nyttekjøretøy, som noen bybusser. Det er ingen tilfeller av arbeid med rene solide polymerelektrolyttbatterier ved romtemperatur (dvs. rundt 25°C).

Den halvfaste kategorien inkluderer svært viskøse elektrolytter, slik som salt-løsningsmiddelblandinger, elektrolyttløsningen som har en saltkonsentrasjon høyere enn standard 1 mol/L, med konsentrasjoner eller metningspunkter så høye som 4 mol/L. En bekymring med konsentrerte elektrolyttblandinger er det relativt høye innholdet av fluorerte salter, som også reiser spørsmål om litiuminnholdet og miljøpåvirkningen av slike elektrolytter. Dette er fordi kommersialiseringen av et modent produkt krever en omfattende livssyklusanalyse. Og råvarene til de tilberedte halvfaste elektrolyttene må også være enkle og lett tilgjengelige for lettere å kunne integreres i elektriske kjøretøy.

Hybride elektrolytter

Hybride elektrolytter, også kjent som blandede elektrolytter, kan modifiseres basert på vandige/organiske løsemiddelhybridelektrolytter eller ved å tilsette en ikke-vandig flytende elektrolyttløsning til en fast elektrolytt, med tanke på produksjonsevnen og skalerbarheten til faste elektrolytter og kravene til stablingsteknologi. Imidlertid er slike hybridelektrolytter fortsatt på forskningsstadiet, og det er ingen kommersielle eksempler.

Hensyn til kommersiell utvikling av elektrolytter

De største fordelene med faste elektrolytter er høy sikkerhet og lang levetid, men følgende punkter bør vurderes nøye når man vurderer alternative flytende eller faste elektrolytter:

• Produksjonsprosess og systemdesign av fast elektrolytt. Laboratoriemålerbatterier består vanligvis av faste elektrolyttpartikler med flere hundre mikrometer tykke, belagt på den ene siden av elektrodene. Disse små solide cellene er ikke representative for ytelsen som kreves for store celler (10 til 100Ah), da kapasitet på 10~100Ah er minimumsspesifikasjonen som kreves for nåværende strømbatterier.
• Fast elektrolytt erstatter også membranens rolle. Siden vekten og tykkelsen er større enn PP/PE-membranen, må den justeres for å oppnå vekttetthet≥350Wh/kgog energitetthet≥900Wh/L for å unngå å hindre kommersialiseringen.

Batteri er alltid en sikkerhetsrisiko til en viss grad. Faste elektrolytter, selv om de er tryggere enn væsker, er ikke nødvendigvis ikke-brennbare. Noen polymerer og uorganiske elektrolytter kan reagere med oksygen eller vann, og produsere varme og giftige gasser som også utgjør en brann- og eksplosjonsfare. I tillegg til enkeltceller kan plast, kasser og pakkematerialer forårsake ukontrollerbar forbrenning. Så til syvende og sist er det nødvendig med en helhetlig sikkerhetstest på systemnivå.