Fons

El 1800, el físic italià A. Volta va construir la pila voltaica, que va obrir l'inici de les bateries pràctiques i va descriure per primera vegada la importància de l'electròlit en els dispositius d'emmagatzematge d'energia electroquímica. L'electròlit es pot veure com una capa aïllant electrònicament i conductora d'ions en forma de líquid o sòlid, inserida entre els elèctrodes negatius i positius. Actualment, l'electròlit més avançat es fa mitjançant la dissolució de la sal de liti sòlida (per exemple, LiPF6) en dissolvent de carbonat orgànic no aquós (per exemple, EC i DMC). Segons la forma i el disseny general de la cèl·lula, l'electròlit normalment representa entre el 8% i el 15% del pes de la cèl·lula. Què'A més, la seva inflamabilitat i el rang de temperatura de funcionament òptim de -10°C a 60°C dificulta molt la millora de la densitat d'energia i la seguretat de la bateria. Per tant, es considera que les formulacions innovadores d'electròlits són el factor clau per al desenvolupament de la propera generació de noves bateries.

Els investigadors també estan treballant per desenvolupar diferents sistemes d'electròlits. Per exemple, l'ús de dissolvents fluorats que poden aconseguir un cicle de metall de liti eficient, electròlits sòlids orgànics o inorgànics que beneficien la indústria del vehicle i "bateries d'estat sòlid" (SSB). El motiu principal és que si l'electròlit sòlid substitueix l'electròlit líquid original i el diafragma, la seguretat, la densitat d'energia única i la vida útil de la bateria es poden millorar significativament. A continuació, resumim principalment el progrés de la investigació d'electròlits sòlids amb diferents materials.

Electròlits sòlids inorgànics

Els electròlits sòlids inorgànics s'han utilitzat en dispositius comercials d'emmagatzematge d'energia electroquímica, com ara algunes bateries recarregables d'alta temperatura Na-S, bateries Na-NiCl2 i bateries primàries de Li-I2. El 2019, Hitachi Zosen (Japó) va demostrar una bateria de bossa d'estat sòlid de 140 mAh per utilitzar-la a l'espai i provar-la a l'Estació Espacial Internacional (ISS). Aquesta bateria està composta per un electròlit de sulfur i altres components de la bateria no revelats, podent funcionar entre -40°C i 100°C. L'any 2021 la companyia introdueix una bateria sòlida de major capacitat de 1.000 mAh. Hitachi Zosen veu la necessitat de bateries sòlides per a entorns durs, com ara equips espacials i industrials que funcionen en entorns típics. L'empresa té previst duplicar la capacitat de la bateria el 2025. Però fins ara, no hi ha cap producte de bateries d'estat sòlid que es pugui utilitzar en vehicles elèctrics.

Electròlits orgànics semisòlids i sòlids

A la categoria d'electròlits sòlids orgànics, la francesa Bolloré ha comercialitzat amb èxit un electròlit PVDF-HFP de gel i un electròlit PEO de tipus gel. La companyia també ha llançat programes pilot d'ús compartit de cotxes a Amèrica del Nord, Europa i Àsia per aplicar aquesta tecnologia de bateries als vehicles elèctrics, però aquesta bateria de polímer mai s'ha adoptat àmpliament als cotxes de passatgers. Un factor que contribueix a la seva mala adopció comercial és que només es poden utilitzar a temperatures relativament altes (50°C a 80°C) i rangs de baixa tensió. Aquestes bateries s'utilitzen ara en vehicles comercials, com alguns autobusos urbans. No hi ha casos de treball amb bateries d'electròlits de polímer sòlid pur a temperatura ambient (és a dir, al voltant de 25°C).

La categoria semisòlid inclou electròlits altament viscosos, com les mescles de sal-solvent, la solució d'electròlits que té una concentració de sal superior a l'estàndard 1 mol/L, amb concentracions o punts de saturació fins a 4 mol/L. Una preocupació amb les mescles d'electròlits concentrats és el contingut relativament alt de sals fluoradas, que també planteja preguntes sobre el contingut de liti i l'impacte ambiental d'aquests electròlits. Això es deu al fet que la comercialització d'un producte madur requereix una anàlisi integral del cicle de vida. I les matèries primeres per als electròlits semisòlids preparats també han de ser senzilles i fàcilment disponibles per poder integrar-se més fàcilment als vehicles elèctrics.

Electròlits híbrids

Els electròlits híbrids, també coneguts com a electròlits mixtos, es poden modificar a partir d'electròlits híbrids de dissolvent aquós/orgànic o afegint una solució d'electròlit líquid no aquós a un electròlit sòlid, tenint en compte la fabricació i escalabilitat dels electròlits sòlids i els requisits per a la tecnologia d'apilament. Tanmateix, aquests electròlits híbrids encara es troben en fase d'investigació i no hi ha exemples comercials.

Consideracions per al desenvolupament comercial d'electròlits

Els majors avantatges dels electròlits sòlids són l'alta seguretat i la llarga vida útil, però s'han de tenir en compte els punts següents a l'hora d'avaluar electròlits sòlids o líquids alternatius:

• Procés de fabricació i disseny del sistema d'electròlit sòlid. Les bateries de calibre de laboratori solen consistir en partícules d'electròlit sòlid amb diversos centenars de micres de gruix, recobertes en un costat dels elèctrodes. Aquestes petites cèl·lules sòlides no són representatives del rendiment requerit per a les cèl·lules grans (de 10 a 100 Ah), ja que la capacitat de 10 ~ 100 Ah és l'especificació mínima necessària per a les bateries de potència actual.
• L'electròlit sòlid també substitueix el paper del diafragma. Com que el seu pes i gruix són més grans que el diafragma PP/PE, s'ha d'ajustar per aconseguir la densitat de pes.≥350 Wh/kgi la densitat d'energia≥900Wh/L per evitar impedir la seva comercialització.

La bateria és sempre un risc per a la seguretat fins a cert punt. Els electròlits sòlids, tot i que són més segurs que els líquids, no són necessàriament no inflamables. Alguns polímers i electròlits inorgànics poden reaccionar amb l'oxigen o l'aigua, produint calor i gasos tòxics que també suposen un perill d'incendi i d'explosió. A més de les cèl·lules individuals, els plàstics, els estoigs i els materials d'embalatge poden provocar una combustió incontrolable. Per tant, en última instància, cal una prova de seguretat holística a nivell de sistema.