Фон

1800-жылы италиялык физик А.Вольта практикалык батареялардын башталышын ачкан жана электрохимиялык энергияны сактоочу түзүлүштөрдөгү электролиттин маанисин биринчи жолу сүрөттөгөн вольттук үймөктү курган. Электролит терс жана оң электроддор ортосуна киргизилген суюк же катуу түрүндөгү электрондук изоляциялоочу жана ион өткөрүүчү катмар катары каралышы мүмкүн. Азыркы учурда эң өнүккөн электролит катуу литий тузун (мисалы, LiPF6) суусуз органикалык карбонаттык эриткичте (мисалы, EC жана DMC) эритүү жолу менен жасалат. Жалпы клетка формасы жана дизайны боюнча, электролит адатта клетканын салмагынын 8% дан 15% га чейин түзөт. Эмне'с көбүрөөк, анын күйүүчүлүгү жана оптималдуу иштөө температурасы диапазону -10°C дан 60ка чейин°C абдан батареянын энергия тыгыздыгын жана коопсуздугун андан ары жакшыртууга тоскоолдук кылат. Ошондуктан, инновациялык электролит формулалары жаңы батарейкалардын кийинки муунун иштеп чыгуунун негизги шарты болуп эсептелет.

Окумуштуулар ошондой эле ар кандай электролит системаларын иштеп чыгуунун үстүндө иштеп жатышат. Мисалы, фтордуу эриткичтерди колдонуу, алар натыйжалуу литий металлды айлантууга, транспорт тармагына пайдалуу органикалык же органикалык эмес катуу электролиттерге жана "катуу абалдагы батарейкалар" (SSB). Негизги себеби, катуу электролит баштапкы суюк электролит жана диафрагманы алмаштырса, батареянын коопсуздугу, бирдиктүү энергия тыгыздыгы жана өмүрү бир топ жакшыртылышы мүмкүн. Кийинки, биз, негизинен, ар кандай материалдар менен катуу электролиттер изилдөө жүрүшүн жалпылайбыз.

Органикалык эмес катуу электролиттер

Органикалык эмес катуу электролиттер коммерциялык электрохимиялык энергияны сактоочу шаймандарда, мисалы, Na-S, Na-NiCl2 жана баштапкы Li-I2 батареялары сыяктуу жогорку температурадагы кайра заряддалуучу батареяларда колдонулган. 2019-жылы Хитачи Зосен (Япония) космосто колдонула турган жана Эл аралык космос станциясында (ISS) сыноо үчүн 140 мАч болгон катуу абалдагы баштыктын батареясын көрсөткөн. Бул батарейка сульфид электролитинен жана башка ачыкталбаган батарейканын компоненттеринен турат, алар -40 чейин иштей алат.°C жана 100°C. 2021-жылы компания 1000 мАч жогорку кубаттуулуктагы катуу батареяны киргизип жатат. Hitachi Zosen кадимки шарттарда иштеген космос жана өнөр жай жабдуулары сыяктуу катаал чөйрөлөр үчүн катуу батарейкалардын зарылдыгын көрөт. Компания 2025-жылга чейин аккумулятордун сыйымдуулугун эки эсеге көбөйтүүнү пландап жатат. Бирок азыркыга чейин электр унааларында колдонула турган бардык катуу абалдагы аккумулятордук продукт жок.

Органикалык жарым катуу жана катуу электролиттер

Органикалык катуу электролит категориясында Франциянын Боллоре гель түрүндөгү PVDF-HFP электролитин жана гел түрүндөгү PEO электролитин ийгиликтүү коммерциялаштырды. Компания ошондой эле бул батарея технологиясын электр унааларына колдонуу үчүн Түндүк Америкада, Европада жана Азияда унаа бөлүшүү пилоттук программаларын ишке киргизди, бирок бул полимердик аккумулятор эч качан жеңил унааларда кеңири жайылган эмес. Алардын начар коммерциялык кабыл алынышына өбөлгө түзгөн факторлордун бири, алар салыштырмалуу жогорку температурада гана колдонулушу мүмкүн (50°C дан 80ге чейин°C) жана төмөнкү чыңалуу диапазону. Бул аккумуляторлор азыр коммерциялык унааларда, мисалы, кээ бир шаардык автобустарда колдонулат. Бөлмө температурасында таза катуу полимердик электролит батареялары менен иштөө учурлары жок (б.а. 25°C).

Жарым катуу категорияга жогорку илешкектүү электролиттер кирет, мисалы, туз-эриткич аралашмалар, туздун концентрациясы стандарттык 1 моль/лден жогору, концентрациялары же каныккан чекиттери 4 моль/лден жогору болгон электролит эритмеси. Концентрацияланган электролит аралашмалары боюнча тынчсыздануу фторлуу туздардын салыштырмалуу жогору болушу болуп саналат, бул ошондой эле литийдин мазмуну жана мындай электролиттердин айлана-чөйрөгө тийгизген таасири жөнүндө суроолорду жаратат. Себеби, жетилген продуктуну коммерциялаштыруу жашоо циклинин ар тараптуу анализин талап кылат. Жана даярдалган жарым катуу электролиттер үчүн чийки зат да жөнөкөй жана электрдик транспортторго оңой интеграциялануу үчүн жеткиликтүү болушу керек.

Гибрид электролиттер

Гибриддик электролиттер, ошондой эле аралаш электролиттер катары белгилүү, суулуу/органикалык эриткичтин гибриддик электролиттеринин негизинде же катуу электролиттерге суусуз суюк электролит эритмесин кошуу менен, катуу электролиттердин өндүрүштүк жөндөмдүүлүгүн жана масштабдуулугун жана үймөлөө технологиясына талаптарды эске алуу менен өзгөртүлүшү мүмкүн. Бирок, мындай гибрид электролиттер изилдөө стадиясында жана эч кандай коммерциялык мисалдар жок.

Электролиттерди өнөр жайлык өнүктүрүү үчүн ойлор

Катуу электролиттердин эң чоң артыкчылыктары жогорку коопсуздук жана узак цикл өмүрү болуп саналат, бирок альтернативалуу суюктук же катуу электролиттерди баалоодо төмөнкү пункттарды кылдаттык менен эске алуу керек:

• Катуу электролиттин өндүрүш процесси жана системалык дизайны. Лабораториялык өлчөөчү батареялар, адатта, электроддордун бир тарабында капталган, калыңдыгы бир нече жүз микрон болгон катуу электролит бөлүкчөлөрүнөн турат. Бул кичинекей катуу клеткалар чоң клеткалар үчүн талап кылынган өндүрүмдүүлүктүн өкүлү эмес (10-100Ач), анткени кубаттуулугу 10~100Ah учурдагы кубаттуу батарейкалар үчүн талап кылынган минималдуу спецификация болуп саналат.
• Катуу электролит диафрагманын ролун да алмаштырат. Анын салмагы жана жоондугу PP/PE диафрагмасынан чоңураак болгондуктан, салмактын тыгыздыгына жетүү үчүн аны тууралоо керек≥350Wh/kgжана энергиянын тыгыздыгы≥900Wh/Аны коммерциялаштырууга тоскоол болбоо учун Л.

Батарея ар дайым кандайдыр бир деңгээлде коопсуздук коркунучу болуп саналат. Катуу электролиттер суюктуктарга караганда коопсузураак болгону менен, сөзсүз эле күйүүчү эмес. Кээ бир полимерлер жана органикалык эмес электролиттер кычкылтек же суу менен реакцияга кирип, жылуулук жана уулуу газдарды пайда кылып, өрт жана жарылуу коркунучун жаратат. Жалгыз клеткалардан тышкары, пластмассалар, кутулар жана таңгак материалдары көзөмөлдөнбөгөн күйүүгө алып келиши мүмкүн. Ошентип, акыры, бирдиктүү, системалык деңгээлдеги коопсуздук тести талап кылынат.