Fons

1800. gadā itāļu fiziķis A. Volta uzcēla volta kaudzi, kas atklāja praktisko akumulatoru sākumu un pirmo reizi aprakstīja elektrolīta nozīmi elektroķīmiskās enerģijas uzkrāšanas ierīcēs. Elektrolītu var uzskatīt par elektroniski izolējošu un jonus vadošu slāni šķidruma vai cietas formas veidā, kas ievietots starp negatīvo un pozitīvo elektrodu. Pašlaik vismodernāko elektrolītu ražo, izšķīdinot cieto litija sāli (piemēram, LiPF6) neūdens organiskā karbonāta šķīdinātājā (piemēram, EC un DMC). Saskaņā ar vispārējo šūnu formu un dizainu elektrolīts parasti veido 8% līdz 15% no šūnas svara. Kas's vairāk, tā uzliesmojamība un optimālais darba temperatūras diapazons -10°C līdz 60°C ievērojami kavē turpmāku akumulatora enerģijas blīvuma un drošības uzlabošanu. Tāpēc novatoriskas elektrolītu formulas tiek uzskatītas par galveno nākamās paaudzes jaunu akumulatoru attīstības veicinātāju.

Pētnieki arī strādā, lai izstrādātu dažādas elektrolītu sistēmas. Piemēram, fluorētu šķīdinātāju izmantošana, kas var nodrošināt efektīvu litija metāla ciklu, organisko vai neorganisko cieto elektrolītu izmantošana, kas ir izdevīgi transportlīdzekļu nozarei, un “cietvielu akumulatori” (SSB). Galvenais iemesls ir tas, ka, ja cietais elektrolīts aizstāj oriģinālo šķidro elektrolītu un diafragmu, var ievērojami uzlabot akumulatora drošību, vienotu enerģijas blīvumu un kalpošanas laiku. Tālāk mēs galvenokārt apkopojam cieto elektrolītu pētījumu gaitu ar dažādiem materiāliem.

Neorganiskie cietie elektrolīti

Neorganiskie cietie elektrolīti ir izmantoti komerciālās elektroķīmiskās enerģijas uzglabāšanas ierīcēs, piemēram, dažās augstas temperatūras uzlādējamās Na-S, Na-NiCl2 baterijās un primārajās Li-I2 baterijās. 2019. gadā Hitachi Zosen (Japāna) demonstrēja 140 mAh cietvielu maisiņu akumulatoru, ko paredzēts izmantot kosmosā un pārbaudīt Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS). Šis akumulators sastāv no sulfīda elektrolīta un citiem neatklātiem akumulatora komponentiem, kas spēj darboties no -40°C un 100°C. 2021. gadā uzņēmums ievieš lielākas ietilpības cieto akumulatoru — 1000 mAh. Hitachi Zosen uzskata, ka ir nepieciešami cieti akumulatori skarbām vidēm, piemēram, telpām un rūpnieciskām iekārtām, kas darbojas tipiskā vidē. Uzņēmums plāno dubultot akumulatora ietilpību līdz 2025. gadam. Taču līdz šim nav pieejams neviens cietvielu akumulatoru produkts, ko varētu izmantot elektriskajos transportlīdzekļos.

Organiskie puscietie un cietie elektrolīti

Organisko cieto elektrolītu kategorijā Francijas Bolloré ir veiksmīgi komercializējis gēla tipa PVDF-HFP elektrolītu un gēla tipa PEO elektrolītu. Uzņēmums ir arī uzsācis automašīnu koplietošanas izmēģinājuma programmas Ziemeļamerikā, Eiropā un Āzijā, lai izmantotu šo akumulatoru tehnoloģiju elektriskajiem transportlīdzekļiem, taču šis polimēra akumulators nekad nav bijis plaši izmantots vieglajos automobiļos. Viens no faktoriem, kas veicina to slikto komerciālo izmantošanu, ir tas, ka tos var izmantot tikai salīdzinoši augstā temperatūrā (50°C līdz 80°C) un zemsprieguma diapazoni. Šīs baterijas tagad tiek izmantotas komerciālajos transportlīdzekļos, piemēram, dažos pilsētas autobusos. Nav gadījumu, kad istabas temperatūrā (ti, aptuveni 25 ° C) strādātu ar tīra cieta polimēra elektrolīta akumulatoriem°C).

Puscietā kategorijā ietilpst ļoti viskozi elektrolīti, piemēram, sāls un šķīdinātāja maisījumi, elektrolīta šķīdums, kura sāls koncentrācija ir augstāka par standarta 1 mol/L, ar koncentrāciju vai piesātinājuma punktiem līdz 4 mol/L. Bažas ar koncentrētiem elektrolītu maisījumiem rada salīdzinoši augstais fluorēto sāļu saturs, kas arī rada jautājumus par litija saturu un šādu elektrolītu ietekmi uz vidi. Tas ir tāpēc, ka nobrieduša produkta komercializācijai ir nepieciešama visaptveroša dzīves cikla analīze. Sagatavoto puscieto elektrolītu izejmateriāliem arī jābūt vienkāršiem un viegli pieejamiem, lai tos būtu vieglāk integrēt elektriskajos transportlīdzekļos.

Hibrīdie elektrolīti

Hibrīdos elektrolītus, kas pazīstami arī kā jauktie elektrolīti, var modificēt, pamatojoties uz ūdens/organiskā šķīdinātāja hibrīda elektrolītiem vai pievienojot neūdens šķidru elektrolīta šķīdumu cietam elektrolītam, ņemot vērā cieto elektrolītu izgatavojamību un mērogojamību, kā arī prasības kraušanas tehnoloģijai. Tomēr šādi hibrīdelektrolīti joprojām ir izpētes stadijā, un nav komerciālu piemēru.

Apsvērumi elektrolītu komerciālai attīstībai

Cieto elektrolītu lielākās priekšrocības ir augsta drošība un ilgs cikla mūžs, taču, novērtējot alternatīvus šķidros vai cietos elektrolītus, rūpīgi jāņem vērā šādi punkti:

• Cietā elektrolīta ražošanas process un sistēmas projektēšana. Laboratorijas mērinstrumentu akumulatori parasti sastāv no cietām elektrolīta daļiņām ar vairāku simtu mikronu biezumu, kas pārklātas vienā elektrodu pusē. Šīs mazās cietās šūnas neatspoguļo veiktspēju, kas nepieciešama lieliem elementiem (10 līdz 100 Ah), jo 10–100 Ah jauda ir minimālā specifikācija, kas nepieciešama pašreizējām jaudas akumulatoriem.
• Cietais elektrolīts aizstāj arī diafragmas lomu. Tā kā tā svars un biezums ir biezāks par PP/PE diafragmu, tas ir jāpielāgo, lai sasniegtu svara blīvumu≥350Wh/kgun enerģijas blīvums≥900Wh/L, lai izvairītos no tā komercializācijas kavēšanas.

Akumulators vienmēr zināmā mērā apdraud drošību. Cietie elektrolīti, lai gan tie ir drošāki par šķidrumiem, ne vienmēr ir neuzliesmojoši. Daži polimēri un neorganiskie elektrolīti var reaģēt ar skābekli vai ūdeni, radot siltumu un toksiskas gāzes, kas arī rada ugunsgrēka un sprādziena risku. Papildus vienšūnām nekontrolējamu degšanu var izraisīt plastmasa, korpusi un iepakojuma materiāli. Tāpēc galu galā ir nepieciešams holistisks sistēmas līmeņa drošības tests.