Bakgrund

År 1800 byggde den italienska fysikern A. Volta den voltaiska högen, som öppnade början på praktiska batterier och beskrev för första gången vikten av elektrolyt i elektrokemiska energilagringsanordningar. Elektrolyten kan ses som ett elektroniskt isolerande och jonledande skikt i form av vätska eller fast material, insatt mellan de negativa och positiva elektroderna. För närvarande tillverkas den mest avancerade elektrolyten genom att lösa det fasta litiumsaltet (t.ex. LiPF6) i icke-vattenhaltigt organiskt karbonatlösningsmedel (t.ex. EC och DMC). Enligt den allmänna cellformen och designen står elektrolyten typiskt för 8 % till 15 % av cellvikten. Vad's mer, dess brandfarlighet och optimala driftstemperaturområde på -10°C till 60°C hindrar kraftigt ytterligare förbättring av batteriets energitäthet och säkerhet. Därför anses innovativa elektrolytformuleringar vara nyckeln till utvecklingen av nästa generations nya batterier.

Forskare arbetar också med att utveckla olika elektrolytsystem. Till exempel användningen av fluorerade lösningsmedel som kan uppnå effektiv litiummetallcykling, organiska eller oorganiska fasta elektrolyter som är till nytta för fordonsindustrin och "solid state-batterier" (SSB). Det främsta skälet är att om den fasta elektrolyten ersätter den ursprungliga flytande elektrolyten och membranet, kan säkerheten, enstaka energidensitet och livslängd för batteriet förbättras avsevärt. Därefter sammanfattar vi huvudsakligen forskningsframstegen för fasta elektrolyter med olika material.

Oorganiska fasta elektrolyter

Oorganiska fasta elektrolyter har använts i kommersiella elektrokemiska energilagringsanordningar, såsom vissa uppladdningsbara högtemperaturbatterier Na-S, Na-NiCl2-batterier och primära Li-I2-batterier. Redan 2019 demonstrerade Hitachi Zosen (Japan) ett helsolid-state-påsebatteri på 140 mAh som ska användas i rymden och testas på den internationella rymdstationen (ISS). Detta batteri består av en sulfidelektrolyt och andra okända batterikomponenter, som kan fungera mellan -40°C och 100°C. År 2021 introducerar företaget ett solid batteri med högre kapacitet på 1 000 mAh. Hitachi Zosen ser behovet av solida batterier för tuffa miljöer som rymd- och industriutrustning som arbetar i typiska miljöer. Företaget planerar att fördubbla batterikapaciteten till 2025. Men än så länge finns det ingen helt färdig batteriprodukt som kan användas i elfordon.

Organiska halvfasta och fasta elektrolyter

I kategorin organiska fasta elektrolyter har franska Bolloré framgångsrikt kommersialiserat en PVDF-HFP-elektrolyt av geltyp och en PEO-elektrolyt av geltyp. Företaget har också lanserat pilotprogram för bildelning i Nordamerika, Europa och Asien för att tillämpa denna batteriteknik på elfordon, men detta polymerbatteri har aldrig blivit allmänt använt i personbilar. En faktor som bidrar till deras dåliga kommersiella användning är att de endast kan användas vid relativt höga temperaturer (50°C till 80°C) och lågspänningsområden. Dessa batterier används nu i kommersiella fordon, som vissa stadsbussar. Det finns inga fall av att arbeta med rena fasta polymerelektrolytbatterier vid rumstemperatur (dvs. runt 25°C).

Den halvfasta kategorin inkluderar högviskösa elektrolyter, såsom salt-lösningsmedelsblandningar, elektrolytlösningen som har en saltkoncentration högre än standarden 1 mol/L, med koncentrationer eller mättnadspunkter så höga som 4 mol/L. Ett problem med koncentrerade elektrolytblandningar är det relativt höga innehållet av fluorerade salter, vilket också väcker frågor om litiumhalten och miljöpåverkan av sådana elektrolyter. Detta beror på att kommersialiseringen av en mogen produkt kräver en omfattande livscykelanalys. Och råvarorna till de beredda halvfasta elektrolyterna måste också vara enkla och lättillgängliga för att lättare kunna integreras i elfordon.

Hybridelektrolyter

Hybridelektrolyter, även kända som blandade elektrolyter, kan modifieras baserat på vattenhaltiga/organiska lösningsmedelshybridelektrolyter eller genom att tillsätta en icke-vattenhaltig flytande elektrolytlösning till en fast elektrolyt, med hänsyn till tillverkningsbarheten och skalbarheten hos fasta elektrolyter och kraven för staplingsteknik. Sådana hybridelektrolyter är dock fortfarande på forskningsstadiet och det finns inga kommersiella exempel.

Överväganden för kommersiell utveckling av elektrolyter

De största fördelarna med fasta elektrolyter är hög säkerhet och lång livslängd, men följande punkter bör noggrant övervägas när man utvärderar alternativa flytande eller fasta elektrolyter:

• Tillverkningsprocess och systemdesign av fast elektrolyt. Laboratoriemätbatterier består vanligtvis av fasta elektrolytpartiklar med flera hundra mikrometer tjocka, belagda på ena sidan av elektroderna. Dessa små solida celler är inte representativa för den prestanda som krävs för stora celler (10 till 100Ah), eftersom en kapacitet på 10~100Ah är minimispecifikationen som krävs för nuvarande batterier.
• Fast elektrolyt ersätter också diafragmans roll. Eftersom dess vikt och tjocklek är större än PP/PE-membranet, måste det justeras för att uppnå viktdensitet≥350Wh/kgoch energitäthet≥900Wh/L för att undvika att hindra dess kommersialisering.

Batteri är alltid en säkerhetsrisk till viss del. Fasta elektrolyter, även om det är säkrare än vätskor, är inte nödvändigtvis obrännbart. Vissa polymerer och oorganiska elektrolyter kan reagera med syre eller vatten och producera värme och giftiga gaser som också utgör en brand- och explosionsrisk. Förutom enskilda celler kan plaster, fodral och förpackningsmaterial orsaka okontrollerbar förbränning. Så i slutändan behövs ett holistiskt säkerhetstest på systemnivå.