Pozadí

V roce 1800 italský fyzik A. Volta postavil voltaickou hromadu, která otevřela počátek praktických baterií a poprvé popsala význam elektrolytu v elektrochemických zařízeních pro ukládání energie. Elektrolyt může být viděn jako elektronicky izolační a iontově vodivá vrstva ve formě kapaliny nebo pevné látky, vložená mezi zápornou a kladnou elektrodu. V současnosti se nejpokročilejší elektrolyt vyrábí rozpuštěním pevné lithné soli (např. LiPF6) v nevodném organickém uhličitanovém rozpouštědle (např. EC a DMC). Podle obecného tvaru a konstrukce článku tvoří elektrolyt obvykle 8 % až 15 % hmotnosti článku. Co's více, jeho hořlavost a optimální rozsah provozních teplot -10°C až 60°C výrazně brání dalšímu zlepšování hustoty energie baterie a bezpečnosti. Proto jsou inovativní receptury elektrolytů považovány za klíčový faktor pro vývoj nové generace nových baterií.

Výzkumníci také pracují na vývoji různých systémů elektrolytů. Například použití fluorovaných rozpouštědel, která mohou dosáhnout účinného cyklování lithiových kovů, organických nebo anorganických pevných elektrolytů, které jsou přínosem pro automobilový průmysl, a „pevné baterie“ (SSB). Hlavním důvodem je, že pokud pevný elektrolyt nahradí původní kapalný elektrolyt a membránu, může se výrazně zlepšit bezpečnost, hustota jedné energie a životnost baterie. Dále především shrneme pokrok ve výzkumu pevných elektrolytů s různými materiály.

Anorganické pevné elektrolyty

Anorganické pevné elektrolyty byly použity v komerčních elektrochemických zařízeních pro ukládání energie, jako jsou některé vysokoteplotní dobíjecí baterie Na-S, Na-NiCl2 baterie a primární Li-I2 baterie. V roce 2019 společnost Hitachi Zosen (Japonsko) předvedla plně polovodičovou pouzdrovou baterii s kapacitou 140 mAh, která má být použita ve vesmíru a testována na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). Tato baterie se skládá ze sulfidového elektrolytu a dalších nezveřejněných součástí baterie a je schopna provozu mezi -40°C a 100°C. V roce 2021 společnost představuje pevnou baterii s vyšší kapacitou 1 000 mAh. Hitachi Zosen vidí potřebu pevných baterií pro drsná prostředí, jako je vesmír a průmyslová zařízení pracující v typických prostředích. Společnost plánuje zdvojnásobit kapacitu baterie do roku 2025. Dosud však neexistuje žádný volně prodejný produkt s plně polovodičovou baterií, který by bylo možné použít v elektrických vozidlech.

Organické polotuhé a tuhé elektrolyty

V kategorii pevných organických elektrolytů francouzská společnost Bolloré úspěšně komercializovala elektrolyt gelového typu PVDF-HFP a elektrolyt gelového typu PEO. Společnost také zahájila pilotní programy sdílení automobilů v Severní Americe, Evropě a Asii s cílem aplikovat tuto technologii baterií na elektrická vozidla, ale tato polymerová baterie nebyla nikdy široce přijata v osobních automobilech. Jedním z faktorů, který přispívá k jejich špatnému komerčnímu přijetí, je to, že je lze používat pouze při relativně vysokých teplotách (50°C až 80°C) a nízkonapěťové rozsahy. Tyto baterie se nyní používají v užitkových vozidlech, jako jsou některé městské autobusy. Neexistují žádné případy práce s čistě pevnými polymerovými elektrolytickými bateriemi při pokojové teplotě (tj. kolem 25°C).

Kategorie polotuhých látek zahrnuje vysoce viskózní elektrolyty, jako jsou směsi sůl-rozpouštědlo, roztok elektrolytu, který má koncentraci soli vyšší než standardní 1 mol/l, s koncentracemi nebo body nasycení až 4 mol/l. Problémem koncentrovaných směsí elektrolytů je relativně vysoký obsah fluorovaných solí, což také vyvolává otázky ohledně obsahu lithia a dopadu takových elektrolytů na životní prostředí. Je tomu tak proto, že komercializace vyzrálého produktu vyžaduje komplexní analýzu životního cyklu. A suroviny pro připravené polotuhé elektrolyty musí být také jednoduché a snadno dostupné, aby se daly snadněji integrovat do elektrických vozidel.

Hybridní elektrolyty

Hybridní elektrolyty, také známé jako směsné elektrolyty, lze modifikovat na základě hybridních elektrolytů s vodným/organickým rozpouštědlem nebo přidáním nevodného kapalného roztoku elektrolytu k pevnému elektrolytu s ohledem na vyrobitelnost a škálovatelnost pevných elektrolytů a požadavky na technologii stohování. Takové hybridní elektrolyty jsou však stále ve fázi výzkumu a neexistují žádné komerční příklady.

Úvahy o komerčním vývoji elektrolytů

Největší výhodou pevných elektrolytů je vysoká bezpečnost a dlouhá životnost, ale při hodnocení alternativních kapalných nebo pevných elektrolytů je třeba pečlivě zvážit následující body:

• Výrobní proces a návrh systému pevného elektrolytu. Laboratorní měřicí baterie se obvykle skládají z pevných částic elektrolytu o tloušťce několika stovek mikronů, potažených na jedné straně elektrod. Tyto malé pevné články nepředstavují výkon požadovaný pro velké články (10 až 100 Ah), protože kapacita 10~100 Ah je minimální specifikace požadovaná pro současné napájecí baterie.
• Pevný elektrolyt také nahrazuje roli membrány. Vzhledem k tomu, že jeho hmotnost a tloušťka je větší než u PP/PE membrány, musí být upravena tak, aby bylo dosaženo hustoty hmotnosti≥350 Wh/kga hustota energie≥900 Wh/L, aby se zabránilo jeho komercializaci.

Baterie je vždy do určité míry bezpečnostní riziko. Pevné elektrolyty, i když jsou bezpečnější než kapaliny, nejsou nutně nehořlavé. Některé polymery a anorganické elektrolyty mohou reagovat s kyslíkem nebo vodou za vzniku tepla a toxických plynů, které rovněž představují nebezpečí požáru a výbuchu. Kromě jednotlivých článků mohou nekontrolovatelné hoření způsobit plasty, pouzdra a obalové materiály. Nakonec je tedy potřeba provést holistický test bezpečnosti na úrovni systému.