Background

Noong 1800, ang Italyano physicist na si A. Volta ay nagtayo ng voltaic pile, na nagbukas ng simula ng mga praktikal na baterya at inilarawan sa unang pagkakataon ang kahalagahan ng electrolyte sa mga electrochemical energy storage device. Ang electrolyte ay makikita bilang isang elektronikong insulating at ion-conducting layer sa anyo ng likido o solid, na ipinasok sa pagitan ng negatibo at positibong mga electrodes. Sa kasalukuyan, ang pinaka-advanced na electrolyte ay ginawa sa pamamagitan ng pagtunaw ng solid lithium salt (hal. LiPF6) sa non-aqueous na organic carbonate solvent (hal. EC at DMC). Ayon sa pangkalahatang anyo at disenyo ng cell, ang electrolyte ay karaniwang bumubuo ng 8% hanggang 15% ng timbang ng cell. ano's higit pa, ang flammability nito at pinakamainam na hanay ng temperatura ng operating na -10°C hanggang 60°C ay lubos na humahadlang sa karagdagang pagpapabuti ng density at kaligtasan ng enerhiya ng baterya. Samakatuwid, ang mga makabagong formulation ng electrolyte ay itinuturing na pangunahing enabler para sa pagbuo ng susunod na henerasyon ng mga bagong baterya.

Ang mga mananaliksik ay nagtatrabaho din upang bumuo ng iba't ibang mga sistema ng electrolyte. Halimbawa, ang paggamit ng mga fluorinated solvent na maaaring makamit ang mahusay na lithium metal cycling, organic o inorganic na solid electrolyte na nakikinabang sa industriya ng sasakyan at "solid state batteries" (SSB). Ang pangunahing dahilan ay kung papalitan ng solid electrolyte ang orihinal na likidong electrolyte at diaphragm, ang kaligtasan, single energy density at buhay ng baterya ay maaaring makabuluhang mapabuti. Susunod, pangunahin naming ibubuod ang pag-unlad ng pananaliksik ng mga solidong electrolyte na may iba't ibang materyales.

Mga di-organikong solidong electrolyte

Ang mga inorganic na solid electrolyte ay ginamit sa komersyal na electrochemical energy storage device, tulad ng ilang high-temperature na rechargeable na baterya na Na-S, Na-NiCl2 na baterya at pangunahing Li-I2 na baterya. Noong 2019, ipinakita ng Hitachi Zosen (Japan) ang isang all-solid-state na pouch na baterya na 140 mAh na gagamitin sa kalawakan at masuri sa International Space Station (ISS). Ang bateryang ito ay binubuo ng isang sulfide electrolyte at iba pang hindi natukoy na mga bahagi ng baterya, na maaaring gumana sa pagitan ng -40°C at 100°C. Sa 2021 ang kumpanya ay nagpapakilala ng mas mataas na kapasidad na solidong baterya na 1,000 mAh. Nakikita ng Hitachi Zosen ang pangangailangan para sa mga solidong baterya para sa malupit na kapaligiran gaya ng espasyo at kagamitang pang-industriya na tumatakbo sa karaniwang mga kapaligiran. Plano ng kumpanya na doblehin ang kapasidad ng baterya sa 2025. Ngunit sa ngayon, walang off-the-shelf all-solid-state na produkto ng baterya na magagamit sa mga de-kuryenteng sasakyan.

Mga organikong semi-solid at solidong electrolyte

Sa kategoryang organic solid electrolyte, matagumpay na na-komersyal ng Bolloré ng France ang isang gel-type na PVDF-HFP electrolyte at isang gel-type na PEO electrolyte. Ang kumpanya ay naglunsad din ng mga programang piloto sa pagbabahagi ng kotse sa North America, Europe at Asia upang ilapat ang teknolohiyang ito ng baterya sa mga de-kuryenteng sasakyan, ngunit ang polymer na bateryang ito ay hindi kailanman malawak na ginagamit sa mga pampasaherong sasakyan. Ang isang kadahilanan na nag-aambag sa kanilang mahinang komersyal na pag-aampon ay ang mga ito ay magagamit lamang sa medyo mataas na temperatura (50°C hanggang 80°C) at mababang boltahe na saklaw. Ang mga bateryang ito ay ginagamit na ngayon sa mga komersyal na sasakyan, tulad ng ilang mga bus ng lungsod. Walang mga kaso ng pagtatrabaho sa mga purong solidong polymer electrolyte na baterya sa temperatura ng silid (ibig sabihin, mga 25°C).

Kasama sa semisolid na kategorya ang mga napakalapot na electrolyte, tulad ng mga salt-solvent mixtures, ang electrolyte solution na may konsentrasyon ng asin na mas mataas kaysa sa karaniwang 1 mol/L, na may mga konsentrasyon o saturation point na kasing taas ng 4 mol/L. Ang isang alalahanin sa mga concentrated electrolyte mixtures ay ang medyo mataas na nilalaman ng mga fluorinated salts, na nagtataas din ng mga tanong tungkol sa nilalaman ng lithium at epekto sa kapaligiran ng naturang mga electrolyte. Ito ay dahil ang komersyalisasyon ng isang mature na produkto ay nangangailangan ng komprehensibong pagsusuri sa ikot ng buhay. At ang mga hilaw na materyales para sa mga inihandang semi-solid electrolytes ay kailangan ding maging simple at madaling makuha upang mas madaling maisama sa mga de-kuryenteng sasakyan.

Hybrid electrolytes

Ang hybrid electrolyte, na kilala rin bilang mixed electrolytes, ay maaaring baguhin batay sa aqueous/organic solvent hybrid electrolytes o sa pamamagitan ng pagdaragdag ng non-aqueous liquid electrolyte solution sa solid electrolyte, na isinasaalang-alang ang paggawa at scalability ng solid electrolytes at ang mga kinakailangan para sa teknolohiya ng stacking. Gayunpaman, ang naturang hybrid electrolytes ay nasa yugto pa rin ng pananaliksik at walang mga komersyal na halimbawa.

Mga pagsasaalang-alang para sa komersyal na pag-unlad ng mga electrolyte

Ang pinakamalaking bentahe ng solid electrolytes ay mataas na kaligtasan at mahabang cycle ng buhay, ngunit ang mga sumusunod na punto ay dapat na maingat na isaalang-alang kapag sinusuri ang alternatibong likido o solid electrolyte:

• Proseso ng paggawa at disenyo ng sistema ng solid electrolyte. Ang mga baterya ng laboratory gauge ay karaniwang binubuo ng mga solidong electrolyte na particle na may ilang daang microns ang kapal, na pinahiran sa isang gilid ng mga electrodes. Ang maliliit na solid cell na ito ay hindi kumakatawan sa pagganap na kinakailangan para sa malalaking cell (10 hanggang 100Ah), dahil ang kapasidad na 10~100Ah ay ang pinakamababang detalye na kinakailangan para sa mga kasalukuyang power na baterya.
• Pinapalitan din ng solid electrolyte ang papel ng diaphragm. Dahil ang bigat at kapal nito ay mas malaki kaysa sa PP/PE na diaphragm, dapat itong ayusin upang makamit ang density ng timbang≥350Wh/kgat density ng enerhiya≥900Wh/L upang maiwasang makahadlang sa komersyalisasyon nito.

Ang baterya ay palaging isang panganib sa kaligtasan sa ilang antas. Ang mga solidong electrolyte, bagama't ito ay mas ligtas kaysa sa mga likido, ay hindi kinakailangang hindi nasusunog. Ang ilang polymer at inorganic electrolyte ay maaaring tumugon sa oxygen o tubig, na gumagawa ng init at nakakalason na mga gas na nagdudulot din ng panganib sa sunog at pagsabog. Bilang karagdagan sa mga solong cell, ang mga plastik, mga kaso at mga materyales sa pakete ay maaaring magdulot ng hindi makontrol na pagkasunog. Kaya sa huli, kailangan ang isang holistic, system-level na pagsubok sa kaligtasan.