Háttér

1800-ban A. Volta olasz fizikus megépítette a voltaikus kupacot, amely megnyitotta a gyakorlati akkumulátorok kezdetét, és először írta le az elektrolit fontosságát az elektrokémiai energiatároló eszközökben. Az elektrolit egy elektronikusan szigetelő és ionvezető rétegnek tekinthető folyadék vagy szilárd anyag formájában, amelyet a negatív és pozitív elektródák közé helyeznek. Jelenleg a legfejlettebb elektrolitot úgy állítják elő, hogy a szilárd lítium sót (pl. LiPF6) nemvizes szerves karbonát oldószerben (pl. EC és DMC) oldják. Az általános cellaforma és -kialakítás szerint az elektrolit általában a cella tömegének 8-15%-át teszi ki. Mi's több, gyúlékonysága és optimális üzemi hőmérsékleti tartománya -10°C-től 60-ig°C nagymértékben akadályozza az akkumulátor energiasűrűségének és biztonságának további javítását. Ezért az innovatív elektrolit-összetételek kulcsfontosságúak az új akkumulátorok következő generációjának kifejlesztésében.

A kutatók különböző elektrolitrendszerek kifejlesztésén is dolgoznak. Például fluorozott oldószerek, amelyekkel hatékony lítium-fém körforgás érhető el, szerves vagy szervetlen szilárd elektrolitok, amelyek előnyösek a járműipar számára, és „szilárdtest-akkumulátorok” (SSB). Ennek fő oka, hogy ha a szilárd elektrolit helyettesíti az eredeti folyékony elektrolitot és a membránt, akkor az akkumulátor biztonsága, egyszeri energiasűrűsége és élettartama jelentősen javulhat. Ezt követően elsősorban a szilárd elektrolitok kutatásának előrehaladását foglaljuk össze különböző anyagokkal.

Szervetlen szilárd elektrolitok

Szervetlen szilárd elektrolitokat használtak a kereskedelmi elektrokémiai energiatároló eszközökben, például egyes magas hőmérsékletű újratölthető Na-S, Na-NiCl2 akkumulátorokban és elsődleges Li-I2 akkumulátorokban. Még 2019-ben a Hitachi Zosen (Japán) bemutatott egy 140 mAh-s szilárdtest-zacskós akkumulátort, amelyet az űrben használnak, és a Nemzetközi Űrállomáson (ISS) teszteltek. Ez az akkumulátor szulfid-elektrolitból és más, nem nyilvános akkumulátor-alkatrészekből áll, és -40 °C között képes működni.°C és 100°C. 2021-ben a vállalat nagyobb kapacitású, 1000 mAh-s szilárd akkumulátort vezet be. A Hitachi Zosen úgy látja, hogy szilárd akkumulátorokra van szükség olyan zord környezetekben, mint például az űrben és az ipari berendezésekben, amelyek tipikus környezetben működnek. A vállalat azt tervezi, hogy 2025-re megduplázza az akkumulátor kapacitását. Egyelőre azonban nincs olyan készen kapható, teljesen szilárdtest akkumulátor termék, amely elektromos járművekben használható lenne.

Szerves félszilárd és szilárd elektrolitok

A szerves szilárd elektrolit kategóriában a francia Bolloré sikeresen forgalmazott egy gél típusú PVDF-HFP elektrolitot és egy gél típusú PEO elektrolitot. A vállalat autómegosztási kísérleti programokat is indított Észak-Amerikában, Európában és Ázsiában, hogy ezt az akkumulátortechnológiát elektromos járművekre alkalmazza, de ezt a polimer akkumulátort soha nem alkalmazták széles körben a személygépkocsikban. Az egyik tényező, ami hozzájárul a rossz kereskedelmi alkalmazáshoz, hogy csak viszonylag magas hőmérsékleten használhatók (50°C-től 80-ig°C) és alacsony feszültségtartományok. Ezeket az akkumulátorokat jelenleg haszongépjárművekben, például egyes városi buszokban használják. Nem fordult elő, hogy tiszta szilárd polimer elektrolit akkumulátorokkal szobahőmérsékleten (azaz körülbelül 25 °C-on) dolgozzon°C).

A félig szilárd kategóriába tartoznak a nagy viszkozitású elektrolitok, például a só-oldószer keverékek, az elektrolitoldatok, amelyek sókoncentrációja magasabb, mint a standard 1 mol/l, és amelynek koncentrációja vagy telítési pontja akár 4 mol/l is lehet. A tömény elektrolitkeverékeknél aggodalomra ad okot a fluorozott sók viszonylag magas tartalma, ami szintén kérdéseket vet fel az ilyen elektrolitok lítiumtartalmával és környezeti hatásaival kapcsolatban. Ennek az az oka, hogy egy kiforrott termék kereskedelmi forgalomba hozatalához átfogó életciklus-elemzésre van szükség. Az elkészített félszilárd elektrolitok alapanyagainak is egyszerűnek és könnyen hozzáférhetőnek kell lenniük, hogy könnyebben beépíthetők legyenek az elektromos járművekbe.

Hibrid elektrolitok

A hibrid elektrolitok, más néven kevert elektrolitok módosíthatók vizes/szerves oldószeres hibrid elektrolitok alapján, vagy szilárd elektrolithoz nemvizes folyékony elektrolit oldat hozzáadásával, figyelembe véve a szilárd elektrolitok gyárthatóságát és méretezhetőségét, valamint a halmozási technológia követelményeit. Az ilyen hibrid elektrolitok azonban még kutatási szakaszban vannak, és nincs kereskedelmi példa.

Az elektrolitok kereskedelmi fejlesztésének szempontjai

A szilárd elektrolitok legnagyobb előnye a nagy biztonság és a hosszú élettartam, de a következő szempontokat alaposan figyelembe kell venni az alternatív folyékony vagy szilárd elektrolitok értékelésekor:

• Szilárd elektrolit gyártási folyamata és rendszertervezése. A laboratóriumi mérőelemek jellemzően több száz mikron vastagságú szilárd elektrolit részecskékből állnak, amelyek az elektródák egyik oldalán vannak bevonva. Ezek a kisméretű tömör cellák nem reprezentálják a nagy (10-100 Ah) cellákhoz szükséges teljesítményt, mivel a 10–100 Ah kapacitás a minimálisan szükséges specifikáció a jelenlegi akkumulátorokhoz.
• A szilárd elektrolit a membrán szerepét is helyettesíti. Mivel a súlya és vastagsága nagyobb, mint a PP/PE membrán, be kell állítani a súlysűrűség eléréséhez.≥350Wh/kgés az energiasűrűség≥900Wh/L, hogy ne akadályozza kereskedelmi forgalomba hozatalát.

Az akkumulátor bizonyos mértékig mindig biztonsági kockázatot jelent. A szilárd elektrolitok, bár biztonságosabbak, mint a folyadékok, nem feltétlenül nem gyúlékonyak. Egyes polimerek és szervetlen elektrolitok reakcióba léphetnek oxigénnel vagy vízzel, hőt és mérgező gázokat termelve, amelyek tűz- és robbanásveszélyt is jelentenek. Az egycellákon kívül a műanyagok, a tokok és a csomagolóanyagok is ellenőrizhetetlen égést okozhatnak. Tehát végső soron holisztikus, rendszerszintű biztonsági tesztre van szükség.