Фон

У 1800 г. італьянскі фізік А. Вольта пабудаваў вольтавы слуп, які адкрыў пачатак практычным батарэям і ўпершыню апісаў важнасць электраліта ў электрахімічных назапашвальніках энергіі. Электраліт можна разглядаць як электроннаізаляцыйны і іонаправодны пласт у выглядзе вадкасці або цвёрдага рэчыва, устаўлены паміж адмоўным і станоўчым электродамі. У цяперашні час самы сучасны электраліт вырабляецца шляхам растварэння цвёрдай солі літыя (напрыклад, LiPF6) у неводным арганічным карбанатным растваральніку (напрыклад, EC і DMC). Згодна з агульнай формай і канструкцыяй элемента, электраліт звычайна складае ад 8% да 15% масы элемента. Што'Больш за тое, яго гаручасць і аптымальны дыяпазон працоўных тэмператур -10°С да 60°C значна перашкаджае далейшаму павышэнню шчыльнасці энергіі батарэі і бяспекі. Такім чынам, інавацыйныя склады электралітаў лічацца ключавым фактарам для распрацоўкі новага пакалення батарэй.

Даследчыкі таксама працуюць над распрацоўкай розных сістэм электралітаў. Напрыклад, выкарыстанне фтарыраваных растваральнікаў, якія дазваляюць дасягнуць эфектыўнага цыклу металічнага літыя, арганічных і неарганічных цвёрдых электралітаў, якія прыносяць карысць аўтамабільнай прамысловасці, і «цвёрдацельных акумулятараў» (SSB). Асноўная прычына заключаецца ў тым, што калі цвёрды электраліт замяняе арыгінальны вадкі электраліт і дыяфрагму, бяспека, аднаразовая шчыльнасць энергіі і тэрмін службы батарэі могуць быць значна палепшаны. Далей мы ў асноўным абагульняем прагрэс даследаванняў цвёрдых электралітаў з рознымі матэрыяламі.

Неарганічныя цвёрдыя электраліты

Неарганічныя цвёрдыя электраліты выкарыстоўваліся ў камерцыйных электрахімічных прыладах захоўвання энергіі, такіх як некаторыя высокатэмпературныя акумулятарныя батарэі Na-S, Na-NiCl2 батарэі і першасныя Li-I2 батарэі. Яшчэ ў 2019 годзе кампанія Hitachi Zosen (Японія) прадэманстравала цалкам цвёрдацельны пакетны акумулятар ёмістасцю 140 мАг для выкарыстання ў космасе і выпрабаванняў на Міжнароднай касмічнай станцыі (МКС). Гэты акумулятар складаецца з сульфіднага электраліта і іншых нераскрытых кампанентаў акумулятара, здольны працаваць пры тэмпературы ад -40°C і 100°C. У 2021 годзе кампанія прадстаўляе цвёрдацельную батарэю большай ёмістасці 1000 мАг. Hitachi Zosen бачыць неабходнасць у цвёрдых батарэях для цяжкіх умоў, такіх як касмічнае і прамысловае абсталяванне, якое працуе ў тыповых умовах. Кампанія плануе падвоіць ёмістасць акумулятара да 2025 года. Але да гэтага часу няма гатовага цалкам цвёрдацельнага акумулятара, які можна выкарыстоўваць у электрамабілях.

Арганічныя паўцвёрдыя і цвёрдыя электраліты

У катэгорыі арганічных цвёрдых электралітаў французская кампанія Bolloré паспяхова камерцыялізавала электраліт PVDF-HFP гелевага тыпу і ПЭО-электраліт гелевага тыпу. Кампанія таксама запусціла пілотныя праграмы сумеснага выкарыстання аўтамабіляў у Паўночнай Амерыцы, Еўропе і Азіі, каб прымяніць гэтую тэхналогію акумулятара ў электрамабілях, але гэты палімерны акумулятар ніколі не быў шырока прыняты ў легкавых аўтамабілях. Адным з фактараў, якія спрыяюць іх дрэннаму камерцыйнаму прыняццю, з'яўляецца тое, што іх можна выкарыстоўваць толькі пры адносна высокіх тэмпературах (50°С да 80°C) і дыяпазоны нізкага напружання. Цяпер гэтыя акумулятары выкарыстоўваюцца ў камерцыйных аўтамабілях, такіх як некаторыя гарадскія аўтобусы. Выпадкаў працы з чыстымі цвёрдымі палімернымі электралітнымі батарэямі пры пакаёвай тэмпературы (г.зн. каля 25°C).

Катэгорыя паўцвёрдых рэчываў уключае высокавязкія электраліты, такія як сумесі солі і растваральніка, раствор электраліта, які мае канцэнтрацыю солі вышэй за стандартную 1 моль/л, з канцэнтрацыямі або кропкамі насычэння да 4 моль/л. Праблемай з канцэнтраванымі сумесямі электралітаў з'яўляецца адносна высокае ўтрыманне фтарыраваных соляў, што таксама выклікае пытанні аб утрыманні літыя і ўздзеянні такіх электралітаў на навакольнае асяроддзе. Гэта таму, што камерцыялізацыя спелага прадукту патрабуе комплекснага аналізу жыццёвага цыкла. І сыравіна для падрыхтаваных паўцвёрдых электралітаў таксама павінна быць простай і лёгкадаступнай, каб яе было лягчэй інтэграваць у электрамабілі.

Гібрыдныя электраліты

Гібрыдныя электраліты, таксама вядомыя як змешаныя электраліты, можна мадыфікаваць на аснове гібрыдных электралітаў з водным і арганічным растваральнікам або шляхам дадання неводнага раствора вадкага электраліта да цвёрдага электраліта з улікам тэхналагічнасці і магчымасці маштабавання цвёрдых электралітаў і патрабаванняў да тэхналогіі стэкавання. Аднак такія гібрыдныя электраліты ўсё яшчэ знаходзяцца ў стадыі даследаванняў і камерцыйных прыкладаў няма.

Меркаванні для камерцыйнай распрацоўкі электралітаў

Найбольшымі перавагамі цвёрдых электралітаў з'яўляюцца высокая бяспека і працяглы тэрмін службы, але пры ацэнцы альтэрнатыўных вадкіх і цвёрдых электралітаў варта ўважліва ўлічваць наступныя моманты:

• Працэс вытворчасці і праектаванне сістэмы цвёрдага электраліта. Батарэі лабараторных манометраў звычайна складаюцца з часціц цвёрдага электраліта таўшчынёй у некалькі сотняў мікрон, пакрытых на адным баку электродаў. Гэтыя невялікія цвёрдыя элементы не з'яўляюцца рэпрэзентатыўнымі характарыстыкамі, неабходнымі для вялікіх элементаў (ад 10 да 100 Аг), паколькі ёмістасць 10~100 Аг з'яўляецца мінімальнай спецыфікацыяй, неабходнай для сучасных акумулятараў.
• Цвёрды электраліт таксама замяняе ролю дыяфрагмы. Паколькі яе вага і таўшчыня значна большыя, чым дыяфрагма з ПП/ПЭ, яе неабходна адрэгуляваць для дасягнення шчыльнасці вагі≥350 Вт·гадз/кгі шчыльнасць энергіі≥900 Вт.гадз/L, каб не перашкаджаць яго камерцыялізацыі.

Батарэя заўсёды ў некаторай ступені пагражае бяспецы. Цвёрдыя электраліты, хоць і бяспечней вадкіх, не абавязкова негаручыя. Некаторыя палімеры і неарганічныя электраліты могуць уступаць у рэакцыю з кіслародам або вадой, выпрацоўваючы цяпло і таксічныя газы, якія таксама ўяўляюць небяспеку пажару і выбуху. Акрамя асобных элементаў, некантралюемае ўзгаранне можа выклікаць пластык, карпусы і ўпаковачныя матэрыялы. Такім чынам, у канчатковым рахунку, неабходны комплексны тэст бяспекі на сістэмным узроўні.