Latar belakang

Pada tahun 1800, ahli fizik Itali A. Volta membina longgokan volta, yang membuka permulaan bateri praktikal dan menerangkan buat pertama kalinya kepentingan elektrolit dalam peranti penyimpanan tenaga elektrokimia. Elektrolit boleh dilihat sebagai lapisan penebat dan pengalir ion secara elektronik dalam bentuk cecair atau pepejal, yang dimasukkan di antara elektrod negatif dan positif. Pada masa ini, elektrolit termaju dibuat dengan melarutkan garam litium pepejal (cth LiPF6) dalam pelarut karbonat organik bukan akueus (cth EC dan DMC). Mengikut bentuk dan reka bentuk sel umum, elektrolit biasanya menyumbang 8% hingga 15% daripada berat sel. apa'Lebih-lebih lagi, kemudahbakarannya dan julat suhu operasi optimum -10°C hingga 60°C sangat menghalang peningkatan ketumpatan dan keselamatan tenaga bateri. Oleh itu, formulasi elektrolit yang inovatif dianggap sebagai pemboleh utama untuk pembangunan bateri baharu generasi akan datang.

Penyelidik juga sedang berusaha untuk membangunkan sistem elektrolit yang berbeza. Contohnya, penggunaan pelarut berfluorinasi yang boleh mencapai kitaran logam litium yang cekap, elektrolit pepejal organik atau bukan organik yang memberi manfaat kepada industri kenderaan dan "bateri keadaan pepejal" (SSB). Sebab utama ialah jika elektrolit pepejal menggantikan elektrolit cecair asal dan diafragma, keselamatan, ketumpatan tenaga tunggal dan hayat bateri boleh dipertingkatkan dengan ketara. Seterusnya, kami terutamanya meringkaskan kemajuan penyelidikan elektrolit pepejal dengan bahan yang berbeza.

Elektrolit pepejal bukan organik

Elektrolit pepejal tak organik telah digunakan dalam peranti penyimpanan tenaga elektrokimia komersial, seperti beberapa bateri boleh dicas semula suhu tinggi Na-S, Na-NiCl2 dan bateri Li-I2 primer. Kembali pada 2019, Hitachi Zosen (Jepun) menunjukkan bateri kantung keadaan pepejal 140 mAh untuk digunakan di angkasa dan diuji di Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS). Bateri ini terdiri daripada elektrolit sulfida dan komponen bateri lain yang tidak didedahkan, yang boleh beroperasi antara -40°C dan 100°C. Pada tahun 2021 syarikat itu memperkenalkan bateri pepejal berkapasiti lebih tinggi iaitu 1,000 mAh. Hitachi Zosen melihat keperluan untuk bateri pepejal untuk persekitaran yang keras seperti ruang dan peralatan industri yang beroperasi dalam persekitaran biasa. Syarikat itu merancang untuk menggandakan kapasiti bateri menjelang 2025. Tetapi setakat ini, tiada produk bateri keadaan pepejal di luar rak yang boleh digunakan dalam kenderaan elektrik.

Elektrolit separa pepejal dan pepejal organik

Dalam kategori elektrolit pepejal organik, Bolloré Perancis telah berjaya mengkomersialkan elektrolit PVDF-HFP jenis gel dan elektrolit PEO jenis gel. Syarikat itu juga telah melancarkan program perintis perkongsian kereta di Amerika Utara, Eropah dan Asia untuk menggunakan teknologi bateri ini pada kenderaan elektrik, tetapi bateri polimer ini tidak pernah digunakan secara meluas dalam kereta penumpang. Satu faktor yang menyumbang kepada penggunaan komersial mereka yang lemah ialah ia hanya boleh digunakan pada suhu yang agak tinggi (50°C hingga 80°C) dan julat voltan rendah. Bateri ini kini digunakan dalam kenderaan komersial, seperti beberapa bas bandar. Tiada kes bekerja dengan bateri elektrolit polimer pepejal tulen pada suhu bilik (iaitu, sekitar 25°C).

Kategori separuh pepejal termasuk elektrolit sangat likat, seperti campuran pelarut garam, larutan elektrolit yang mempunyai kepekatan garam lebih tinggi daripada standard 1 mol/L, dengan kepekatan atau titik tepu setinggi 4 mol/L. Kebimbangan dengan campuran elektrolit pekat ialah kandungan garam berfluorina yang agak tinggi, yang juga menimbulkan persoalan tentang kandungan litium dan kesan persekitaran elektrolit tersebut. Ini kerana pengkomersilan produk matang memerlukan analisis kitaran hayat yang menyeluruh. Dan bahan mentah untuk elektrolit separa pepejal yang disediakan juga perlu ringkas dan mudah didapati untuk disepadukan dengan lebih mudah ke dalam kenderaan elektrik.

Elektrolit hibrid

Elektrolit hibrid, juga dikenali sebagai elektrolit campuran, boleh diubah suai berdasarkan elektrolit hibrid pelarut akueus/organik atau dengan menambahkan larutan elektrolit cecair bukan akueus kepada elektrolit pepejal, dengan mengambil kira kebolehkilangan dan kebolehskalaan elektrolit pepejal dan keperluan untuk teknologi tindanan. Walau bagaimanapun, elektrolit hibrid tersebut masih dalam peringkat penyelidikan dan tiada contoh komersial.

Pertimbangan untuk pembangunan komersial elektrolit

Kelebihan terbesar elektrolit pepejal adalah keselamatan yang tinggi dan hayat kitaran yang panjang, tetapi perkara berikut harus dipertimbangkan dengan teliti semasa menilai cecair alternatif atau elektrolit pepejal:

• Proses pembuatan dan reka bentuk sistem elektrolit pepejal. Bateri tolok makmal biasanya terdiri daripada zarah elektrolit pepejal dengan ketebalan beberapa ratus mikron, bersalut pada satu sisi elektrod. Sel pepejal kecil ini tidak mewakili prestasi yang diperlukan untuk sel besar (10 hingga 100Ah), kerana kapasiti 10~100Ah ialah spesifikasi minimum yang diperlukan untuk bateri kuasa semasa.
• Elektrolit pepejal juga menggantikan peranan diafragma. Oleh kerana berat dan ketebalannya adalah bubur lebih besar daripada diafragma PP/PE, ia mesti diselaraskan untuk mencapai ketumpatan berat≥350Wj/kgdan ketumpatan tenaga≥900Wj/L untuk mengelak daripada menghalang pengkomersilannya.

Bateri sentiasa menjadi risiko keselamatan pada tahap tertentu. Elektrolit pepejal, walaupun ia lebih selamat daripada cecair, tidak semestinya tidak mudah terbakar. Sesetengah polimer dan elektrolit tak organik boleh bertindak balas dengan oksigen atau air, menghasilkan haba dan gas toksik yang juga menimbulkan bahaya kebakaran dan letupan. Selain sel tunggal, plastik, bekas dan bahan pek boleh menyebabkan pembakaran tidak terkawal. Jadi akhirnya, ujian keselamatan peringkat sistem yang holistik diperlukan.