Tausta

Vuonna 1800 italialainen fyysikko A. Volta rakensi voltaic-paalun, joka avasi käytännön akkujen alun ja kuvaili ensimmäistä kertaa elektrolyytin merkitystä sähkökemiallisissa energian varastointilaitteissa. Elektrolyytti voidaan nähdä elektronisesti eristävänä ja ioneja johtavana nestemäisenä tai kiinteänä kerroksena, joka on asetettu negatiivisen ja positiivisen elektrodin väliin. Tällä hetkellä edistynein elektrolyytti valmistetaan liuottamalla kiinteä litiumsuola (esim. LiPF6) vedettömään orgaaniseen karbonaattiliuottimeen (esim. EC ja DMC). Yleisen kennon muodon ja rakenteen mukaan elektrolyytin osuus on tyypillisesti 8-15 % kennon painosta. Mitä's enemmän, sen syttyvyys ja optimaalinen käyttölämpötila -10°C - 60°C haittaa suuresti akun energiatiheyden ja turvallisuuden parantamista. Siksi innovatiivisten elektrolyyttikoostumusten katsotaan olevan avaintekijä seuraavan sukupolven uusien akkujen kehittämisessä.

Tutkijat työskentelevät myös kehittääkseen erilaisia ​​elektrolyyttijärjestelmiä. Esimerkiksi fluorattujen liuottimien käyttö, joilla voidaan saavuttaa tehokas litiummetallikierto, orgaaniset tai epäorgaaniset kiinteät elektrolyytit, joista on hyötyä ajoneuvoteollisuudelle, ja "solid state -akut" (SSB). Pääsyynä on se, että jos kiinteä elektrolyytti korvaa alkuperäisen nestemäisen elektrolyytin ja kalvon, akun turvallisuutta, yksittäistä energiatiheyttä ja käyttöikää voidaan parantaa merkittävästi. Seuraavaksi teemme pääasiassa yhteenvedon kiinteiden elektrolyyttien tutkimuksen edistymisestä eri materiaaleilla.

Epäorgaaniset kiinteät elektrolyytit

Epäorgaanisia kiinteitä elektrolyyttejä on käytetty kaupallisissa sähkökemiallisissa energian varastointilaitteissa, kuten joissakin korkean lämpötilan ladattavissa Na-S-, Na-NiCl2-akuissa ja primaarisissa Li-I2-akuissa. Vuonna 2019 Hitachi Zosen (Japani) esitteli 140 mAh:n kiinteän tilan pussiakkua käytettäväksi avaruudessa ja testattavaksi kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS). Tämä akku koostuu sulfidielektrolyytistä ja muista paljastamattomista akkukomponenteista, jotka voivat toimia -40°C ja 100°C. Vuonna 2021 yritys esittelee tehokkaamman 1 000 mAh:n kiinteän akun. Hitachi Zosen näkee kiinteiden akkujen tarpeen vaativiin ympäristöihin, kuten avaruuteen ja teollisuuslaitteisiin, jotka toimivat tyypillisissä ympäristöissä. Yhtiö aikoo kaksinkertaistaa akun kapasiteetin vuoteen 2025 mennessä. Mutta toistaiseksi ei ole olemassa hyllystä valmistettua kiinteää akkutuotetta, jota voitaisiin käyttää sähköajoneuvoissa.

Orgaaniset puolikiinteät ja kiinteät elektrolyytit

Orgaanisten kiinteiden elektrolyyttien luokassa ranskalainen Bolloré on menestyksekkäästi kaupallistanut geelityyppisen PVDF-HFP-elektrolyytin ja geelityyppisen PEO-elektrolyytin. Yhtiö on myös käynnistänyt yhteisautojen pilottiohjelmia Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Aasiassa soveltaakseen tätä akkuteknologiaa sähköajoneuvoihin, mutta tätä polymeeriakkua ei ole koskaan otettu laajalti käyttöön henkilöautoissa. Yksi tekijä, joka vaikuttaa niiden huonoon kaupalliseen käyttöön, on se, että niitä voidaan käyttää vain suhteellisen korkeissa lämpötiloissa (50°C - 80°C) ja matalajännitealueet. Näitä akkuja käytetään nyt hyötyajoneuvoissa, kuten joissakin kaupunkibusseissa. Ei ole tapauksia työskennellä puhtaiden kiinteän polymeerin elektrolyyttiakkujen kanssa huoneenlämpötilassa (eli noin 25°C).

Puolikiinteään luokkaan kuuluvat erittäin viskoosit elektrolyytit, kuten suola-liuotinseokset, elektrolyyttiliuos, jonka suolapitoisuus on korkeampi kuin standardi 1 mol/L ja jonka pitoisuudet tai kyllästyspisteet ovat jopa 4 mol/L. Konsentroitujen elektrolyyttiseosten ongelmana on suhteellisen korkea fluorattujen suolojen pitoisuus, mikä herättää myös kysymyksiä tällaisten elektrolyyttien litiumpitoisuudesta ja ympäristövaikutuksista. Tämä johtuu siitä, että kypsän tuotteen kaupallistaminen vaatii kattavan elinkaarianalyysin. Ja valmistettujen puolikiinteiden elektrolyyttien raaka-aineiden on myös oltava yksinkertaisia ​​ja helposti saatavilla, jotta ne voidaan integroida helpommin sähköajoneuvoihin.

Hybridielektrolyytit

Hybridielektrolyyttejä, jotka tunnetaan myös nimellä sekoitettu elektrolyytti, voidaan modifioida perustuen vesi/orgaaninen liuotin hybridielektrolyytteihin tai lisäämällä vedetöntä nestemäistä elektrolyyttiliuosta kiinteään elektrolyyttiin, ottaen huomioon kiinteiden elektrolyyttien valmistettavuus ja skaalautuvuus sekä pinoamistekniikan vaatimukset. Tällaiset hybridielektrolyytit ovat kuitenkin vielä tutkimusvaiheessa, eikä kaupallisia esimerkkejä ole.

Huomioitavaa elektrolyyttien kaupallisessa kehittämisessä

Kiinteiden elektrolyyttien suurimmat edut ovat korkea turvallisuus ja pitkä käyttöikä, mutta seuraavat seikat tulee ottaa huolellisesti huomioon arvioitaessa vaihtoehtoisia nestemäisiä tai kiinteitä elektrolyyttejä:

• Kiinteän elektrolyytin valmistusprosessi ja järjestelmäsuunnittelu. Laboratoriomittarin paristot koostuvat tyypillisesti usean sadan mikronin paksuisista kiinteistä elektrolyyttihiukkasista, jotka on päällystetty elektrodien toisella puolella. Nämä pienet kiinteät kennot eivät edusta suurten kennojen (10–100 Ah) suorituskykyä, koska 10–100 Ah:n kapasiteetti on nykyisten akkujen vähimmäisvaatimus.
• Kiinteä elektrolyytti korvaa myös kalvon roolin. Koska sen paino ja paksuus ovat suurempia kuin PP/PE-kalvo, se on säädettävä painotiheyden saavuttamiseksi≥350Wh/kgja energiatiheys≥900Wh/L välttääkseen sen kaupallistamisen estämisen.

Akku on aina jossain määrin turvallisuusriski. Kiinteät elektrolyytit, vaikka ne ovat turvallisempia kuin nesteet, eivät välttämättä ole syttyviä. Jotkut polymeerit ja epäorgaaniset elektrolyytit voivat reagoida hapen tai veden kanssa tuottaen lämpöä ja myrkyllisiä kaasuja, jotka aiheuttavat myös palo- ja räjähdysvaaran. Yksikennojen lisäksi muovit, kotelot ja pakkausmateriaalit voivat aiheuttaa hallitsematonta palamista. Joten viime kädessä tarvitaan kokonaisvaltainen, järjestelmätason turvallisuustesti.