Фон

1800 жылы итальян физигі А.Вольта практикалық батареялардың бастауын ашқан және электрохимиялық энергия сақтау құрылғыларындағы электролиттің маңыздылығын алғаш рет сипаттайтын вольттік қаданы салды. Электролитті теріс және оң электродтардың арасына салынған сұйық немесе қатты түрдегі электронды оқшаулағыш және ион өткізгіш қабат ретінде қарастыруға болады. Қазіргі уақытта ең жетілдірілген электролит қатты литий тұзын (мысалы, LiPF6) сусыз органикалық карбонатты еріткіште (мысалы, EC және DMC) еріту арқылы жасалады. Жалпы жасуша пішіні мен дизайнына сәйкес электролит әдетте жасуша салмағының 8% - 15% құрайды. Не'с көп, оның тұтанғыштығы және оңтайлы жұмыс температурасы диапазоны -10°C-ден 60-қа дейін°C батарея қуатының тығыздығы мен қауіпсіздігін одан әрі жақсартуға айтарлықтай кедергі келтіреді. Сондықтан электролиттердің инновациялық құрамдары жаңа аккумуляторлардың келесі буынының дамуының негізгі құралы болып саналады.

Зерттеушілер сонымен қатар әртүрлі электролиттік жүйелерді жасаумен айналысады. Мысалы, литий металдарының тиімді айналымына қол жеткізе алатын фторланған еріткіштерді, көлік өнеркәсібіне пайдалы органикалық немесе бейорганикалық қатты электролиттер мен «қатты күйдегі батареялар» (SSB) пайдалану. Негізгі себебі, егер қатты электролит бастапқы сұйық электролит пен диафрагманы ауыстырса, батареяның қауіпсіздігі, біртұтас энергия тығыздығы және қызмет ету мерзімі айтарлықтай жақсаруы мүмкін. Әрі қарай, біз негізінен әртүрлі материалдармен қатты электролиттерді зерттеу барысын қорытындылаймыз.

Бейорганикалық қатты электролиттер

Бейорганикалық қатты электролиттер кейбір жоғары температурада қайта зарядталатын Na-S, Na-NiCl2 батареялары және бастапқы Li-I2 батареялары сияқты коммерциялық электрохимиялық энергия сақтау құрылғыларында қолданылған. 2019 жылы Хитачи Зосен (Жапония) ғарышта қолданылатын және Халықаралық ғарыш станциясында (ХҒС) сынау үшін 140 мАч толық қатты күйдегі қап батареясын көрсетті. Бұл аккумулятор сульфидті электролиттен және басқа ашылмаған батарея құрамдастарынан тұрады, олар -40 аралығында жұмыс істей алады.°C және 100°C. 2021 жылы компания 1000 мАч жоғары қуатты қатты батареяны енгізеді. Hitachi Zosen әдеттегі ортада жұмыс істейтін ғарыштық және өнеркәсіптік жабдық сияқты қатал орталар үшін қатты батареялардың қажеттілігін көреді. Компания 2025 жылға қарай аккумулятордың сыйымдылығын екі есеге арттыруды жоспарлап отыр. Бірақ әзірге электрлі көліктерде қолдануға болатын толықтай қатты күйдегі аккумулятордан тұратын дайын өнім жоқ.

Органикалық жартылай қатты және қатты электролиттер

Органикалық қатты электролит санатында Францияның Боллоре гель түріндегі PVDF-HFP электролитін және гель түріндегі PEO электролитін сәтті коммерцияландырды. Сондай-ақ компания Солтүстік Америкада, Еуропада және Азияда осы аккумулятор технологиясын электрлік көліктерге қолдану үшін көлік бөлісу пилоттық бағдарламаларын іске қосты, бірақ бұл полимерлі аккумулятор ешқашан жеңіл көліктерде кеңінен қолданылмаған. Олардың нашар коммерциялық қабылдануына ықпал ететін факторлардың бірі - оларды салыстырмалы түрде жоғары температурада ғана пайдалануға болады (50°C-ден 80-ге дейін°C) және төмен кернеу диапазондары. Бұл батареялар қазір кейбір қалалық автобустар сияқты коммерциялық көліктерде қолданылады. Бөлме температурасында таза қатты полимерлі электролит батареяларымен жұмыс істеу жағдайлары жоқ (яғни, шамамен 25°C).

Жартылай қатты заттар санатына тұз-еріткіш қоспалары сияқты жоғары тұтқыр электролиттер жатады, тұз концентрациясы стандартты 1 моль/л-ден жоғары, концентрациясы немесе қанығу нүктелері 4 моль/л-ге дейін жоғары электролит ерітіндісі. Концентрлі электролит қоспаларымен байланысты мәселе фторланған тұздардың салыстырмалы түрде жоғары болуы болып табылады, бұл сондай-ақ литий құрамы мен мұндай электролиттердің қоршаған ортаға әсері туралы сұрақтар тудырады. Себебі жетілген өнімді коммерцияландыру өмірлік циклді жан-жақты талдауды қажет етеді. Дайындалған жартылай қатты электролиттер үшін шикізаттар да қарапайым және электрлік көліктерге оңай біріктіру үшін қол жетімді болуы керек.

Гибридті электролиттер

Гибридті электролиттер, сондай-ақ аралас электролиттер ретінде белгілі, су/органикалық еріткіш гибридті электролиттер негізінде немесе қатты электролиттердің өндіргіштігі мен ауқымдылығын және жинақтау технологиясына қойылатын талаптарды ескере отырып, сусыз сұйық электролит ерітіндісін қатты электролитке қосу арқылы өзгертуге болады. Дегенмен, мұндай гибридті электролиттер әлі де зерттеу сатысында және коммерциялық мысалдар жоқ.

Электролиттердің өнеркәсіптік дамуын қарастыру

Қатты электролиттердің ең үлкен артықшылықтары жоғары қауіпсіздік және ұзақ цикл мерзімі болып табылады, бірақ балама сұйық немесе қатты электролиттерді бағалау кезінде келесі тармақтарды мұқият ескеру қажет:

• Қатты электролиттерді өндіру процесі және жүйені жобалау. Зертханалық калибрлі батареялар әдетте электродтардың бір жағымен қапталған қалыңдығы бірнеше жүз микрон болатын қатты электролит бөлшектерінен тұрады. Бұл шағын қатты ұяшықтар үлкен ұяшықтар үшін (10-100Ач) талап етілетін өнімділікті көрсетпейді, өйткені 10~100Ач сыйымдылығы ағымдағы қуат батареялары үшін талап етілетін ең аз сипаттама болып табылады.
• Қатты электролит сонымен қатар диафрагманың рөлін ауыстырады. Оның салмағы мен қалыңдығы PP/PE диафрагмасынан үлкен болғандықтан, оны салмақ тығыздығына жету үшін реттеу керек.≥350Втсағ/кгжәне энергия тығыздығы≥900Вт/сағОны коммерцияландыруға кедергі келтірмеу үшін L.

Батарея әрқашан белгілі бір дәрежеде қауіпсіздік қаупі болып табылады. Қатты электролиттер сұйықтықтарға қарағанда қауіпсіз болса да, міндетті түрде жанғыш емес. Кейбір полимерлер мен бейорганикалық электролиттер оттегімен немесе сумен әрекеттесіп, өрт және жарылыс қаупін тудыратын жылу мен улы газдар шығара алады. Жалғыз ұяшықтардан басқа, пластмассалар, қораптар және қаптама материалдары бақыланбайтын жануды тудыруы мүмкін. Сондықтан, сайып келгенде, тұтас, жүйе деңгейіндегі қауіпсіздік сынағы қажет.