Sfondi

Në vitin 1800, fizikani italian A. Volta ndërtoi grumbullin voltaik, i cili hapi fillimin e baterive praktike dhe përshkroi për herë të parë rëndësinë e elektrolitit në pajisjet e ruajtjes së energjisë elektrokimike. Elektroliti mund të shihet si një shtresë elektronikisht izoluese dhe jo-përçuese në formë të lëngshme ose të ngurtë, e futur midis elektrodave negative dhe pozitive. Aktualisht, elektroliti më i avancuar prodhohet duke tretur kripën e ngurtë të litiumit (p.sh. LiPF6) në tretës karbonat organik jo ujor (p.sh. EC dhe DMC). Sipas formës dhe modelit të përgjithshëm të qelizës, elektroliti zakonisht përbën 8% deri në 15% të peshës së qelizës. Çfarë's më shumë, ndezshmëria e tij dhe diapazoni optimal i temperaturës së funksionimit prej -10°C deri në 60°C pengojnë shumë përmirësimin e mëtejshëm të densitetit dhe sigurisë së energjisë së baterisë. Prandaj, formulimet inovative të elektroliteve konsiderohen si mundësia kryesore për zhvillimin e gjeneratës së ardhshme të baterive të reja.

Studiuesit po punojnë gjithashtu për të zhvilluar sisteme të ndryshme elektrolite. Për shembull, përdorimi i tretësve të fluoruar që mund të arrijnë çiklizëm efikas të metalit të litiumit, elektroliteve të ngurta organike ose inorganike që janë të dobishme për industrinë e automjeteve dhe "bateritë në gjendje të ngurtë" (SSB). Arsyeja kryesore është se nëse elektroliti i ngurtë zëvendëson elektrolitin dhe diafragmën e lëngshme origjinale, siguria, dendësia e vetme e energjisë dhe jeta e baterisë mund të përmirësohen ndjeshëm. Më pas, ne përmbledhim kryesisht progresin e kërkimit të elektroliteve të ngurta me materiale të ndryshme.

Elektrolite të ngurta inorganike

Elektrolitet e ngurta inorganike janë përdorur në pajisjet komerciale të ruajtjes së energjisë elektrokimike, të tilla si disa bateri të ringarkueshme me temperaturë të lartë Na-S, bateri Na-NiCl2 dhe bateri primare Li-I2. Në vitin 2019, Hitachi Zosen (Japoni) demonstroi një bateri me qese në gjendje të ngurtë prej 140 mAh për t'u përdorur në hapësirë ​​dhe për t'u testuar në Stacionin Ndërkombëtar të Hapësirës (ISS). Kjo bateri është e përbërë nga një elektrolit sulfide dhe komponentë të tjerë të pazbuluar të baterisë, duke qenë në gjendje të funksionojë midis -40°C dhe 100°C. Në vitin 2021 kompania po prezanton një bateri solide me kapacitet më të lartë prej 1000 mAh. Hitachi Zosen sheh nevojën për bateri të ngurta për mjedise të vështira si hapësira dhe pajisjet industriale që funksionojnë në një mjedis tipik. Kompania planifikon të dyfishojë kapacitetin e baterisë deri në vitin 2025. Por deri më tani, nuk ka asnjë produkt baterie në gjendje të ngurtë që mund të përdoret në automjetet elektrike.

Elektrolite organike gjysmë të ngurtë dhe të ngurtë

Në kategorinë e elektroliteve të ngurta organike, Bolloré e Francës ka komercializuar me sukses një elektrolit PVDF-HFP të tipit xhel dhe një elektrolit PEO të tipit xhel. Kompania ka nisur gjithashtu programe pilot për ndarjen e makinave në Amerikën e Veriut, Evropë dhe Azi për të aplikuar këtë teknologji të baterive në automjetet elektrike, por kjo bateri polimer nuk është përdorur kurrë gjerësisht në makinat e pasagjerëve. Një faktor që kontribuon në adoptimin e tyre të dobët tregtar është se ato mund të përdoren vetëm në temperatura relativisht të larta (50°C deri në 80°C) dhe vargjet e tensionit të ulët. Këto bateri tani po përdoren në automjete komerciale, siç janë disa autobusë të qytetit. Nuk ka raste të punës me bateri të pastër polimer elektrolit të ngurtë në temperaturën e dhomës (dmth. rreth 25°C).

Kategoria gjysmë e ngurtë përfshin elektrolite shumë viskoze, të tilla si përzierjet kripë-tretës, tretësira e elektrolitit që ka një përqendrim kripe më të lartë se standardi 1 mol/L, me përqendrime ose pika ngopjeje deri në 4 mol/L. Një shqetësim me përzierjet e koncentruara të elektroliteve është përmbajtja relativisht e lartë e kripërave të fluorizuara, e cila gjithashtu ngre pyetje në lidhje me përmbajtjen e litiumit dhe ndikimin mjedisor të elektroliteve të tillë. Kjo është për shkak se komercializimi i një produkti të pjekur kërkon një analizë gjithëpërfshirëse të ciklit jetësor. Dhe lëndët e para për elektrolitet gjysmë të ngurtë të përgatitur gjithashtu duhet të jenë të thjeshta dhe të disponueshme për t'u integruar më lehtë në automjetet elektrike.

Elektrolitet hibride

Elektrolitet hibride, të njohur edhe si elektrolitë të përzier, mund të modifikohen në bazë të elektroliteve hibride ujore/tretës organikë ose duke shtuar një zgjidhje elektrolite të lëngët jo-ujore në një elektrolit të ngurtë, duke marrë parasysh aftësinë përpunuese dhe shkallëzuese të elektroliteve të ngurta dhe kërkesat për teknologjinë e grumbullimit. Megjithatë, elektrolitë të tillë hibridë janë ende në fazën e kërkimit dhe nuk ka shembuj komercialë.

Konsiderata për zhvillimin komercial të elektroliteve

Përparësitë më të mëdha të elektroliteve të ngurta janë siguria e lartë dhe jeta e gjatë e ciklit, por pikat e mëposhtme duhet të merren parasysh me kujdes kur vlerësohen elektrolitet alternative të lëngshme ose të ngurta:

• Procesi i prodhimit dhe dizajnimi i sistemit të elektrolitit të ngurtë. Bateritë matës laboratorike zakonisht përbëhen nga grimca të ngurta elektrolite me disa qindra mikronë të trasha, të veshura në njërën anë të elektrodave. Këto qeliza të vogla të ngurta nuk janë përfaqësuese të performancës së kërkuar për qelizat e mëdha (10 deri në 100Ah), pasi kapaciteti prej 10~100Ah është specifikimi minimal i kërkuar për bateritë aktuale të energjisë.
• Elektroliti i ngurtë zëvendëson gjithashtu rolin e diafragmës. Meqenëse pesha dhe trashësia e saj janë më të mëdha se diafragma PP/PE, ajo duhet të rregullohet për të arritur densitetin e peshës≥350 Wh/kgdhe dendësia e energjisë≥900 Wh/L për të shmangur pengimin e komercializimit të tij.

Bateria është gjithmonë një rrezik sigurie në një farë mase. Elektrolitet e ngurtë, megjithëse janë më të sigurt se lëngjet, nuk janë domosdoshmërisht jo të ndezshëm. Disa polimere dhe elektrolite inorganike mund të reagojnë me oksigjen ose ujë, duke prodhuar nxehtësi dhe gazra toksikë që paraqesin gjithashtu rrezik zjarri dhe shpërthimi. Përveç qelizave të vetme, plastika, kutitë dhe materialet e paketimit mund të shkaktojnë djegie të pakontrollueshme. Pra, në fund të fundit, nevojitet një test sigurie holistik në nivel sistemi.