پس زمینه

در سال 1800، فیزیکدان ایتالیایی A. Volta، شمع ولتایی را ساخت، که شروع باتری های عملی را باز کرد و برای اولین بار اهمیت الکترولیت را در دستگاه های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی توصیف کرد. الکترولیت را می توان به عنوان یک لایه عایق الکترونیکی و رسانای یونی به شکل مایع یا جامد دید که بین الکترودهای منفی و مثبت قرار می گیرد. در حال حاضر، پیشرفته ترین الکترولیت با حل کردن نمک لیتیوم جامد (به عنوان مثال LiPF6) در حلال کربنات آلی غیرآبی (مانند EC و DMC) ساخته می شود. طبق شکل و طراحی کلی سلول، الکترولیت معمولاً 8 تا 15 درصد وزن سلول را تشکیل می دهد. چی's بیشتر، اشتعال پذیری آن و محدوده دمای عملیاتی بهینه 10- است°C تا 60°C تا حد زیادی مانع بهبود بیشتر چگالی انرژی باتری و ایمنی می شود. بنابراین، فرمول‌های نوآورانه الکترولیت به عنوان عاملی کلیدی برای توسعه نسل بعدی باتری‌های جدید در نظر گرفته می‌شوند.

محققان همچنین در حال کار بر روی توسعه سیستم های مختلف الکترولیت هستند. به عنوان مثال، استفاده از حلال‌های فلوئوردار که می‌توانند چرخه فلز لیتیوم کارآمد، الکترولیت‌های جامد آلی یا معدنی را که برای صنعت خودرو مفید هستند و «باتری‌های حالت جامد» (SSB) به دست آورند. دلیل اصلی این است که اگر الکترولیت جامد جایگزین الکترولیت مایع اصلی و دیافراگم شود، ایمنی، چگالی انرژی و عمر باتری به طور قابل توجهی بهبود می یابد. در مرحله بعد، ما عمدتاً پیشرفت تحقیقات الکترولیت های جامد با مواد مختلف را خلاصه می کنیم.

الکترولیت های جامد غیر آلی

الکترولیت‌های جامد معدنی در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی تجاری، مانند باتری‌های قابل شارژ با دمای بالا Na-S، Na-NiCl2 و باتری‌های اولیه Li-I2 استفاده شده‌اند. در سال 2019، هیتاچی زوسن (ژاپن) یک باتری کیسه ای تمام جامد 140 میلی آمپر ساعتی را برای استفاده در فضا و آزمایش در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) به نمایش گذاشت. این باتری از یک الکترولیت سولفید و سایر اجزای باتری نامشخص تشکیل شده است که می تواند بین -40 کار کند.°C و 100°ج. در سال 2021، این شرکت یک باتری جامد با ظرفیت بالاتر 1000 میلی آمپر ساعتی را معرفی می کند. هیتاچی زوسن نیاز به باتری های جامد را برای محیط های سخت مانند فضا و تجهیزات صنعتی که در محیط های معمولی کار می کنند می بیند. این شرکت قصد دارد تا سال 2025 ظرفیت باتری را دوبرابر کند. اما تاکنون هیچ محصول باتری کاملاً جامد خارج از قفسه ای وجود ندارد که بتوان از آن در خودروهای الکتریکی استفاده کرد.

الکترولیت های نیمه جامد و جامد آلی

در دسته الکترولیت جامد آلی، Bolloré فرانسه یک الکترولیت PVDF-HFP نوع ژل و یک الکترولیت PEO از نوع ژل را با موفقیت تجاری کرده است. این شرکت همچنین برنامه‌های آزمایشی اشتراک‌گذاری خودرو را در آمریکای شمالی، اروپا و آسیا راه‌اندازی کرده است تا از این فناوری باتری در خودروهای الکتریکی استفاده کند، اما این باتری پلیمری هرگز به طور گسترده در خودروهای سواری مورد استفاده قرار نگرفته است. یکی از عواملی که به پذیرش تجاری ضعیف آنها کمک می کند این است که آنها فقط در دماهای نسبتاً بالا قابل استفاده هستند (50°C تا 80°ج) و محدوده ولتاژ پایین. این باتری ها در حال حاضر در وسایل نقلیه تجاری مانند برخی اتوبوس های شهری مورد استفاده قرار می گیرند. هیچ موردی از کار با باتری های الکترولیت پلیمری خالص در دمای اتاق (یعنی حدود 25) وجود ندارد.°ج).

دسته نیمه جامد شامل الکترولیت های بسیار ویسکوز مانند مخلوط نمک و حلال است، محلول الکترولیتی که دارای غلظت نمک بالاتر از استاندارد 1 mol/L است، با غلظت یا نقاط اشباع تا 4 mol/L. یکی از نگرانی‌های مربوط به مخلوط‌های الکترولیت غلیظ، محتوای نسبتاً بالای نمک‌های فلوئوردار است که همچنین سؤالاتی را در مورد محتوای لیتیوم و تأثیر زیست‌محیطی این الکترولیت‌ها ایجاد می‌کند. این به این دلیل است که تجاری سازی یک محصول بالغ نیاز به تجزیه و تحلیل چرخه عمر جامع دارد. و مواد خام برای الکترولیت های نیمه جامد آماده نیز باید ساده و به راحتی در دسترس باشند تا راحت تر در وسایل نقلیه الکتریکی ادغام شوند.

الکترولیت های هیبریدی

الکترولیت‌های ترکیبی، که به عنوان الکترولیت‌های مخلوط نیز شناخته می‌شوند، می‌توانند بر اساس الکترولیت‌های ترکیبی حلال آبی/آلی یا با افزودن یک محلول الکترولیت مایع غیرآبی به یک الکترولیت جامد، با در نظر گرفتن قابلیت ساخت و مقیاس‌پذیری الکترولیت‌های جامد و الزامات فناوری انباشتگی، اصلاح شوند. با این حال، چنین الکترولیت های هیبریدی هنوز در مرحله تحقیق هستند و هیچ نمونه تجاری وجود ندارد.

ملاحظات برای توسعه تجاری الکترولیت ها

بزرگترین مزایای الکترولیت های جامد ایمنی بالا و عمر چرخه طولانی است، اما نکات زیر باید به دقت در ارزیابی الکترولیت های مایع یا جامد جایگزین در نظر گرفته شوند:

• فرآیند ساخت و طراحی سیستم الکترولیت جامد. باتری‌های گیج آزمایشگاهی معمولاً از ذرات الکترولیت جامد با ضخامت چند صد میکرون تشکیل شده‌اند که در یک طرف الکترودها پوشش داده شده‌اند. این سلول های جامد کوچک نماینده عملکرد مورد نیاز برای سلول های بزرگ (10 تا 100Ah) نیستند، زیرا ظرفیت 10 ~ 100Ah حداقل مشخصات مورد نیاز برای باتری های برق فعلی است.
• الکترولیت جامد نیز جایگزین نقش دیافراگم می شود. از آنجایی که وزن و ضخامت آن از دیافراگم PP/PE بیشتر است، برای دستیابی به چگالی وزن باید تنظیم شود.≥350Wh/kgو چگالی انرژی≥900Wh/L تا مانع تجاری سازی آن نشود.

باتری همیشه تا حدی یک خطر ایمنی است. الکترولیت های جامد، اگرچه ایمن تر از مایعات هستند، اما لزوما غیر قابل اشتعال نیستند. برخی از پلیمرها و الکترولیت‌های معدنی می‌توانند با اکسیژن یا آب واکنش دهند و گرما و گازهای سمی تولید کنند که خطر آتش‌سوزی و انفجار را نیز به همراه دارند. علاوه بر تک سلولی، پلاستیک ها، کیس ها و مواد بسته می توانند باعث احتراق غیرقابل کنترل شوند. بنابراین در نهایت، یک تست ایمنی جامع و در سطح سیستم مورد نیاز است.