Agtergrond

In 1800 het die Italiaanse fisikus A. Volta die voltaïese stapel gebou, wat die begin van praktiese batterye oopgemaak het en vir die eerste keer die belangrikheid van elektroliet in elektrochemiese energiebergingstoestelle beskryf het. Die elektroliet kan gesien word as 'n elektronies isolerende en ioongeleidende laag in die vorm van vloeistof of vaste stof, wat tussen die negatiewe en positiewe elektrodes geplaas word. Tans word die mees gevorderde elektroliet gemaak deur die vaste litiumsout (bv. LiPF6) op te los in nie-waterige organiese karbonaatoplosmiddel (bv. EC en DMC). Volgens die algemene selvorm en -ontwerp maak die elektroliet tipies 8% tot 15% van die selgewig uit. Wat's meer, sy vlambaarheid en optimale bedryfstemperatuur reeks van -10°C tot 60°C grootliks belemmer verdere verbetering van battery-energiedigtheid en veiligheid. Daarom word innoverende elektrolietformulerings beskou as die sleutel instaatsteller vir die ontwikkeling van die volgende generasie nuwe batterye.

Navorsers werk ook daaraan om verskillende elektrolietstelsels te ontwikkel. Byvoorbeeld, die gebruik van gefluoreerde oplosmiddels wat doeltreffende litiummetaal-siklus kan bewerkstellig, organiese of anorganiese vaste elektroliete wat tot voordeel van die voertuigindustrie is en "vastetoestandbatterye" (SSB). Die hoofrede is dat as die vaste elektroliet die oorspronklike vloeibare elektroliet en diafragma vervang, die veiligheid, enkelenergiedigtheid en lewensduur van die battery aansienlik verbeter kan word. Vervolgens som ons hoofsaaklik die navorsingsvordering van vaste elektroliete met verskillende materiale op.

Anorganiese vaste elektroliete

Anorganiese vaste elektroliete is gebruik in kommersiële elektrochemiese energiebergingstoestelle, soos sommige hoëtemperatuur herlaaibare batterye Na-S, Na-NiCl2-batterye en primêre Li-I2-batterye. Terug in 2019 het Hitachi Zosen (Japan) 'n volvaste toestand-sakbattery van 140 mAh gedemonstreer wat in die ruimte gebruik en op die Internasionale Ruimtestasie (ISS) getoets moet word. Hierdie battery is saamgestel uit 'n sulfiedelektroliet en ander onbekende batterykomponente, wat in staat is om te werk tussen -40°C en 100°C. In 2021 stel die maatskappy 'n soliede battery met 'n groter kapasiteit van 1 000 mAh bekend. Hitachi Zosen sien die behoefte aan soliede batterye vir moeilike omgewings soos ruimte en industriële toerusting wat in tipiese omgewings werk. Die maatskappy beplan om die batterykapasiteit teen 2025 te verdubbel. Maar tot dusver is daar geen van die rak heeltemal vaste toestand batteryproduk wat in elektriese voertuie gebruik kan word nie.

Organiese halfvaste en vaste elektroliete

In die organiese vaste elektrolietkategorie het Frankryk se Bolloré 'n gel-tipe PVDF-HFP-elektroliet en 'n gel-tipe PEO-elektroliet suksesvol gekommersialiseer. Die maatskappy het ook loodsprogramme vir motordeel in Noord-Amerika, Europa en Asië van stapel gestuur om hierdie batterytegnologie op elektriese voertuie toe te pas, maar hierdie polimeerbattery is nog nooit algemeen in passasiersmotors gebruik nie. Een faktor wat bydra tot hul swak kommersiële aanneming is dat hulle slegs by relatief hoë temperature gebruik kan word (50°C tot 80°C) en lae spanning reekse. Hierdie batterye word nou in kommersiële voertuie gebruik, soos sommige stadsbusse. Daar is geen gevalle van werk met suiwer soliede polimeer elektrolietbatterye by kamertemperatuur (dws ongeveer 25°C).

Die halfvaste kategorie sluit hoogs viskose elektroliete in, soos sout-oplosmiddelmengsels, die elektrolietoplossing wat 'n soutkonsentrasie hoër as die standaard 1 mol/L het, met konsentrasies of versadigingspunte so hoog as 4 mol/L. ’n Bekommernis met gekonsentreerde elektrolietmengsels is die relatief hoë inhoud van gefluoreerde soute, wat ook vrae laat ontstaan ​​oor die litiuminhoud en omgewingsimpak van sulke elektroliete. Dit is omdat die kommersialisering van 'n volwasse produk 'n omvattende lewensiklusontleding vereis. En die grondstowwe vir die voorbereide halfvaste elektroliete moet ook eenvoudig en geredelik beskikbaar wees om makliker in elektriese voertuie geïntegreer te word.

Hibriede elektroliete

Hibriede elektroliete, ook bekend as gemengde elektroliete, kan aangepas word op grond van waterige/organiese oplosmiddel hibriede elektroliete of deur 'n nie-waterige vloeibare elektrolietoplossing by 'n soliede elektroliet te voeg, met inagneming van die vervaardigbaarheid en skaalbaarheid van vaste elektroliete en die vereistes vir stapeltegnologie. Sulke basterelektroliete is egter nog in die navorsingstadium en daar is geen kommersiële voorbeelde nie.

Oorwegings vir kommersiële ontwikkeling van elektroliete

Die grootste voordele van vaste elektroliete is hoë veiligheid en lang sikluslewe, maar die volgende punte moet noukeurig oorweeg word wanneer alternatiewe vloeibare of vaste elektroliete evalueer word:

• Vervaardigingsproses en stelselontwerp van soliede elektroliet. Laboratoriummeterbatterye bestaan ​​tipies uit soliede elektrolietdeeltjies met 'n paar honderd mikron dik, bedek aan die een kant van die elektrodes. Hierdie klein soliede selle is nie verteenwoordigend van die werkverrigting wat vir groot selle (10 tot 100Ah) vereis word nie, aangesien kapasiteit van 10~100Ah die minimum spesifikasie is wat benodig word vir huidige kragbatterye.
• Vaste elektroliet vervang ook die rol van die diafragma. Aangesien sy gewig en dikte pap groter is as PP/PE diafragma, moet dit aangepas word om gewigsdigtheid te bereik≥350Wh/kgen energiedigtheid≥900Wh/L om te verhoed dat die kommersialisering daarvan belemmer word.

Battery is altyd 'n veiligheidsrisiko tot 'n mate. Vaste elektroliete, alhoewel dit veiliger is as vloeistowwe, is nie noodwendig onvlambaar nie. Sommige polimere en anorganiese elektroliete kan met suurstof of water reageer en hitte en giftige gasse produseer wat ook 'n brand- en ontploffingsgevaar inhou. Benewens enkelselle, kan plastiek, houertjies en pakmateriaal onbeheerbare verbranding veroorsaak. So uiteindelik is 'n holistiese, stelsel-vlak veiligheidstoets nodig.