Фон

В 1800 году итальянский физик А. Вольта построил гальваническую батарею, положившую начало практическому использованию аккумуляторов и впервые описавшую значение электролита в электрохимических накопителях энергии. Электролит можно рассматривать как электронно-изолирующий и ионопроводящий слой в форме жидкости или твердого тела, вставленный между отрицательным и положительным электродами. В настоящее время наиболее совершенный электролит изготавливается путем растворения твердой соли лития (например, LiPF6) в неводном органическом карбонатном растворителе (например, EC и DMC). В соответствии с общей формой и конструкцией элемента электролит обычно составляет от 8% до 15% веса элемента. Что'Более того, его воспламеняемость и оптимальный диапазон рабочих температур -10.°С до 60°C значительно препятствует дальнейшему улучшению плотности энергии и безопасности аккумуляторов. Таким образом, инновационные составы электролитов считаются ключевым фактором для разработки нового поколения батарей.

Исследователи также работают над разработкой различных электролитных систем. Например, использование фторированных растворителей, которые могут обеспечить эффективный циклический цикл лития-металла, органических или неорганических твердых электролитов, полезных для автомобильной промышленности, и «твердотельных батарей» (SSB). Основная причина заключается в том, что если твердый электролит заменит исходный жидкий электролит и диафрагму, безопасность, плотность энергии и срок службы батареи могут быть значительно улучшены. Далее мы в основном суммируем ход исследований твердых электролитов с различными материалами.

Неорганические твердые электролиты

Неорганические твердые электролиты использовались в коммерческих электрохимических устройствах хранения энергии, таких как некоторые высокотемпературные аккумуляторные батареи Na-S, батареи Na-NiCl2 и первичные батареи Li-I2. Еще в 2019 году компания Hitachi Zosen (Япония) продемонстрировала полностью твердотельную аккумуляторную батарею емкостью 140 мАч для использования в космосе и испытания на Международной космической станции (МКС). Эта батарея состоит из сульфидного электролита и других нераскрытых компонентов батареи и способна работать при температуре -40°С.°С и 100°C. В 2021 году компания представит твердотельную батарею большей емкости — 1000 мАч. Hitachi Zosen видит необходимость в твердотельных батареях для суровых условий, таких как космическое и промышленное оборудование, работающее в типичных условиях. Компания планирует удвоить емкость аккумуляторов к 2025 году. Но пока не существует готового полностью твердотельного аккумуляторного продукта, который можно было бы использовать в электромобилях.

Органические полутвердые и твердые электролиты.

В категории органических твердых электролитов французская компания Bolloré успешно вывела на рынок гелеобразный электролит ПВДФ-ГФП и гелеобразный электролит ПЭО. Компания также запустила пилотные программы совместного использования автомобилей в Северной Америке, Европе и Азии, чтобы применить эту технологию аккумуляторов в электромобилях, но эта полимерная батарея никогда не получила широкого распространения в легковых автомобилях. Одним из факторов, способствующих их плохому коммерческому внедрению, является то, что их можно использовать только при относительно высоких температурах (50°С до 80°C) и диапазоны низкого напряжения. Эти батареи сейчас используются в коммерческих автомобилях, например, в некоторых городских автобусах. Случаев работы с аккумуляторами с чистым твердым полимерным электролитом при комнатной температуре (т.е. около 25°С) не зарегистрировано.°С).

К категории полутвердых относятся электролиты с высокой вязкостью, такие как смеси солей и растворителей, растворы электролитов с концентрацией соли выше стандартного 1 моль/л, с концентрацией или точкой насыщения до 4 моль/л. Проблема, связанная с концентрированными смесями электролитов, связана с относительно высоким содержанием фторированных солей, что также вызывает вопросы о содержании лития и воздействии таких электролитов на окружающую среду. Это связано с тем, что коммерциализация зрелого продукта требует всестороннего анализа жизненного цикла. Сырьевые материалы для готовых полутвердых электролитов также должны быть простыми и легкодоступными, чтобы их было легче интегрировать в электромобили.

Гибридные электролиты

Гибридные электролиты, также известные как смешанные электролиты, могут быть модифицированы на основе гибридных электролитов на основе водного/органического растворителя или путем добавления неводного раствора жидкого электролита к твердому электролиту с учетом технологичности и масштабируемости твердых электролитов, а также требований к технологии штабелирования. Однако такие гибридные электролиты все еще находятся на стадии исследований и коммерческих примеров нет.

Соображения по коммерческому развитию электролитов

Самыми большими преимуществами твердых электролитов являются высокая безопасность и длительный срок службы, но при оценке альтернативных жидких или твердых электролитов следует внимательно учитывать следующие моменты:

• Процесс производства и проектирование систем твердого электролита. Батареи для лабораторных приборов обычно состоят из частиц твердого электролита толщиной в несколько сотен микрон, нанесенных на одну сторону электродов. Эти маленькие твердые элементы не соответствуют характеристикам, необходимым для больших элементов (от 10 до 100 Ач), поскольку емкость 10–100 Ач является минимальной характеристикой, необходимой для современных аккумуляторов.
• Твердый электролит также заменяет роль диафрагмы. Поскольку ее вес и толщина намного больше, чем у диафрагмы из ПП/ПЭ, ее необходимо отрегулировать для достижения плотности веса.≥350 Втч/кги плотность энергии≥900 Втч/L, чтобы не препятствовать его коммерциализации.

Аккумулятор всегда в той или иной степени представляет угрозу безопасности. Твердые электролиты, хотя и безопаснее жидкостей, не обязательно являются негорючими. Некоторые полимеры и неорганические электролиты могут вступать в реакцию с кислородом или водой, выделяя тепло и токсичные газы, которые также представляют опасность пожара и взрыва. Помимо отдельных элементов, неконтролируемое возгорание могут вызвать пластмассы, корпуса и упаковочные материалы. Таким образом, в конечном итоге необходима целостная проверка безопасности на уровне системы.