Achtergrond

In 1800 bouwde de Italiaanse natuurkundige A. Volta de voltaïsche stapel, die het begin opende van praktische batterijen en voor het eerst het belang van elektrolyt in elektrochemische energieopslagapparaten beschreef. De elektrolyt kan worden gezien als een elektronisch isolerende en ionengeleidende laag in de vorm van vloeistof of vaste stof, geplaatst tussen de negatieve en positieve elektroden. Momenteel wordt de meest geavanceerde elektrolyt gemaakt door het vaste lithiumzout (bijv. LiPF6) op te lossen in een niet-waterig organisch carbonaatoplosmiddel (bijv. EC en DMC). Volgens de algemene celvorm en het ontwerp is de elektrolyt doorgaans verantwoordelijk voor 8% tot 15% van het celgewicht. Wat'En bovendien de ontvlambaarheid en het optimale bedrijfstemperatuurbereik van -10°C°C tot 60°C vormt een grote belemmering voor een verdere verbetering van de energiedichtheid en de veiligheid van de batterij. Daarom worden innovatieve elektrolytformuleringen beschouwd als de belangrijkste factor voor de ontwikkeling van de volgende generatie nieuwe batterijen.

Onderzoekers werken ook aan de ontwikkeling van verschillende elektrolytsystemen. Bijvoorbeeld het gebruik van gefluoreerde oplosmiddelen die een efficiënte lithiummetaalcyclus kunnen bewerkstelligen, organische of anorganische vaste elektrolyten die gunstig zijn voor de voertuigindustrie en ‘solid state accu’s’ (SSB). De belangrijkste reden is dat als de vaste elektrolyt de oorspronkelijke vloeibare elektrolyt en het membraan vervangt, de veiligheid, de afzonderlijke energiedichtheid en de levensduur van de batterij aanzienlijk kunnen worden verbeterd. Vervolgens vatten we vooral de onderzoeksvoortgang van vaste elektrolyten met verschillende materialen samen.

Anorganische vaste elektrolyten

Anorganische vaste elektrolyten zijn gebruikt in commerciële apparaten voor elektrochemische energieopslag, zoals sommige oplaadbare Na-S-batterijen voor hoge temperaturen, Na-NiCl2-batterijen en primaire Li-I2-batterijen. In 2019 demonstreerde Hitachi Zosen (Japan) een volledig solid-state buidelbatterij van 140 mAh voor gebruik in de ruimte en getest op het International Space Station (ISS). Deze batterij is samengesteld uit een sulfide-elektrolyt en andere niet bekendgemaakte batterijcomponenten en kan werken tussen -40°C en 100°C. In 2021 introduceert het bedrijf een vaste batterij met een hogere capaciteit van 1.000 mAh. Hitachi Zosen ziet de behoefte aan solide batterijen voor zware omstandigheden, zoals ruimtevaart en industriële apparatuur die in typische omgevingen werkt. Het bedrijf is van plan de batterijcapaciteit tegen 2025 te verdubbelen. Maar tot nu toe is er geen kant-en-klaar volledig solid-state batterijproduct dat in elektrische voertuigen kan worden gebruikt.

Organische halfvaste en vaste elektrolyten

In de categorie organische vaste elektrolyten heeft het Franse Bolloré met succes een gel-type PVDF-HFP-elektrolyt en een gel-type PEO-elektrolyt op de markt gebracht. Het bedrijf heeft ook proefprogramma's voor het delen van auto's gelanceerd in Noord-Amerika, Europa en Azië om deze batterijtechnologie toe te passen op elektrische voertuigen, maar deze polymeerbatterij is nooit op grote schaal toegepast in personenauto's. Eén factor die bijdraagt ​​aan de slechte commerciële acceptatie ervan is dat ze alleen bij relatief hoge temperaturen kunnen worden gebruikt (50°C tot 80°C) en laagspanningsbereiken. Deze batterijen worden nu gebruikt in bedrijfsvoertuigen, zoals sommige stadsbussen. Er zijn geen gevallen bekend waarin met zuivere vaste polymeer-elektrolytbatterijen bij kamertemperatuur (dat wil zeggen rond de 25°C) wordt gewerkt°C).

De categorie halfvaste stoffen omvat zeer viskeuze elektrolyten, zoals zout-oplosmiddelmengsels, de elektrolytoplossing met een zoutconcentratie hoger dan de standaard 1 mol/L, met concentraties of verzadigingspunten tot wel 4 mol/L. Een zorg bij geconcentreerde elektrolytmengsels is het relatief hoge gehalte aan gefluoreerde zouten, wat ook vragen oproept over het lithiumgehalte en de impact op het milieu van dergelijke elektrolyten. Dit komt omdat de commercialisering van een volwassen product een uitgebreide levenscyclusanalyse vereist. En de grondstoffen voor de bereide halfvaste elektrolyten moeten ook eenvoudig en direct beschikbaar zijn, zodat ze gemakkelijker in elektrische voertuigen kunnen worden geïntegreerd.

Hybride elektrolyten

Hybride elektrolyten, ook wel gemengde elektrolyten genoemd, kunnen worden gemodificeerd op basis van hybride elektrolyten met water/organisch oplosmiddel of door een niet-waterige vloeibare elektrolytoplossing toe te voegen aan een vaste elektrolyt, rekening houdend met de maakbaarheid en schaalbaarheid van vaste elektrolyten en de vereisten voor stapeltechnologie. Dergelijke hybride elektrolyten bevinden zich echter nog in de onderzoeksfase en er zijn geen commerciële voorbeelden.

Overwegingen voor de commerciële ontwikkeling van elektrolyten

De grootste voordelen van vaste elektrolyten zijn een hoge veiligheid en een lange levensduur, maar de volgende punten moeten zorgvuldig in overweging worden genomen bij het evalueren van alternatieve vloeibare of vaste elektrolyten:

• Productieproces en systeemontwerp van vaste elektrolyt. Batterijen voor laboratoriummeters bestaan ​​doorgaans uit vaste elektrolytdeeltjes met een dikte van enkele honderden microns, die aan één zijde van de elektroden zijn gecoat. Deze kleine vaste cellen zijn niet representatief voor de prestaties die vereist zijn voor grote cellen (10 tot 100 Ah), aangezien een capaciteit van 10 ~ 100 Ah de minimaal vereiste specificatie is voor huidige accu's.
• Vaste elektrolyt vervangt ook de rol van het diafragma. Omdat het gewicht en de dikte ervan groter zijn dan die van het PP/PE-membraan, moet het worden aangepast om de gewichtsdichtheid te bereiken≥350Wh/kgen energiedichtheid≥900Wh/L om te voorkomen dat de commercialisering ervan wordt belemmerd.

Batterijen vormen tot op zekere hoogte altijd een veiligheidsrisico. Vaste elektrolyten zijn, hoewel ze veiliger zijn dan vloeistoffen, niet noodzakelijkerwijs niet-ontvlambaar. Sommige polymeren en anorganische elektrolyten kunnen reageren met zuurstof of water, waardoor hitte en giftige gassen ontstaan ​​die ook brand- en explosiegevaar opleveren. Naast afzonderlijke cellen kunnen ook kunststoffen, koffers en verpakkingsmaterialen een oncontroleerbare verbranding veroorzaken. Uiteindelijk is er dus een holistische veiligheidstest op systeemniveau nodig.