Arka plan

1800 yılında İtalyan fizikçi A. Volta, pratik pillerin başlangıcını açan ve elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında elektrolitin önemini ilk kez açıklayan volta pilini inşa etti. Elektrolit, negatif ve pozitif elektrotlar arasına yerleştirilmiş, sıvı veya katı halde, elektronik olarak yalıtkan ve iyon ileten bir katman olarak görülebilir. Şu anda en gelişmiş elektrolit, katı lityum tuzunun (örneğin LiPF6) sulu olmayan organik karbonat solventinde (örneğin EC ve DMC) çözülmesiyle yapılmaktadır. Genel hücre formu ve tasarımına göre, elektrolit tipik olarak hücre ağırlığının %8 ila %15'ini oluşturur. Ne'Dahası, yanıcılığı ve -10 optimum çalışma sıcaklığı aralığı°C'den 60'a°C, pil enerji yoğunluğunun ve güvenliğinin daha da iyileştirilmesini büyük ölçüde engeller. Bu nedenle, yenilikçi elektrolit formülasyonlarının yeni nesil yeni pillerin geliştirilmesinde temel kolaylaştırıcı olduğu düşünülmektedir.

Araştırmacılar ayrıca farklı elektrolit sistemleri geliştirmek için çalışıyorlar. Örneğin, verimli lityum metal çevrimi sağlayabilen florlu solventlerin, araç endüstrisine fayda sağlayan organik veya inorganik katı elektrolitlerin ve "katı hal pillerinin" (SSB) kullanımı. Bunun temel nedeni, katı elektrolitin orijinal sıvı elektrolitin ve diyaframın yerini alması durumunda pilin güvenliğinin, tek enerji yoğunluğunun ve ömrünün önemli ölçüde artırılabilmesidir. Daha sonra, esas olarak katı elektrolitlerin farklı malzemelerle araştırılmasındaki ilerlemeyi özetliyoruz.

İnorganik katı elektrolitler

İnorganik katı elektrolitler, bazı yüksek sıcaklıkta şarj edilebilir piller Na-S, Na-NiCl2 piller ve birincil Li-I2 piller gibi ticari elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında kullanılmaktadır. 2019 yılında Hitachi Zosen (Japonya), uzayda kullanılacak ve Uluslararası Uzay İstasyonunda (ISS) test edilecek 140 mAh'lik tamamen katı hal kese pilini tanıttı. Bu pil, bir sülfür elektrolitten ve açıklanmayan diğer pil bileşenlerinden oluşur ve -40°C arasında çalışabilmektedir.°C ve 100°C. 2021 yılında şirket, 1.000 mAh'lik daha yüksek kapasiteli bir katı pili piyasaya sürecek. Hitachi Zosen, uzay ve tipik ortamlarda çalışan endüstriyel ekipmanlar gibi zorlu ortamlar için katı pillere duyulan ihtiyacı görüyor. Şirket, pil kapasitesini 2025 yılına kadar iki katına çıkarmayı planlıyor. Ancak şu ana kadar elektrikli araçlarda kullanılabilecek tamamen katı hal pil ürünü bulunmuyor.

Organik yarı katı ve katı elektrolitler

Organik katı elektrolit kategorisinde Fransız Bolloré, jel tipi PVDF-HFP elektroliti ve jel tipi PEO elektroliti başarıyla ticarileştirdi. Şirket ayrıca bu pil teknolojisini elektrikli araçlara uygulamak için Kuzey Amerika, Avrupa ve Asya'da araç paylaşımı pilot programları başlattı, ancak bu polimer pil hiçbir zaman binek araçlarda geniş çapta benimsenmedi. Ticari olarak benimsenmelerinin zayıf olmasına katkıda bulunan faktörlerden biri, yalnızca nispeten yüksek sıcaklıklarda (500°C) kullanılabilmeleridir.°C'den 80'e°C) ve düşük voltaj aralıkları. Bu piller artık bazı belediye otobüsleri gibi ticari araçlarda da kullanılıyor. Saf katı polimer elektrolit pillerle oda sıcaklığında (yani yaklaşık 25°C) çalışma durumu yoktur.°C).

Yarı katı kategorisi, tuz-çözücü karışımları gibi oldukça viskoz elektrolitleri, standart 1 mol/L'den daha yüksek bir tuz konsantrasyonuna sahip olan ve 4 mol/L kadar yüksek konsantrasyonlara veya doyma noktalarına sahip elektrolit çözeltisini içerir. Konsantre elektrolit karışımlarıyla ilgili bir endişe, florlu tuzların nispeten yüksek içeriğidir; bu da, bu tür elektrolitlerin lityum içeriği ve çevresel etkileri hakkında soruları da gündeme getirir. Bunun nedeni olgun bir ürünün ticarileştirilmesinin kapsamlı bir yaşam döngüsü analizi gerektirmesidir. Hazırlanan yarı katı elektrolitlerin ham maddelerinin de elektrikli araçlara daha kolay entegre edilebilmesi için basit ve kolaylıkla temin edilebilir olması gerekiyor.

Hibrit elektrolitler

Karışık elektrolitler olarak da bilinen hibrit elektrolitler, katı elektrolitlerin üretilebilirliği ve ölçeklenebilirliği ve istifleme teknolojisi gereksinimleri dikkate alınarak sulu/organik solvent hibrit elektrolitlere dayalı olarak veya katı bir elektrolite sulu olmayan bir sıvı elektrolit çözeltisi eklenerek değiştirilebilir. Ancak bu tür hibrit elektrolitler henüz araştırma aşamasındadır ve ticari örnekleri bulunmamaktadır.

Elektrolitlerin ticari gelişimine ilişkin hususlar

Katı elektrolitlerin en büyük avantajları yüksek güvenlik ve uzun çevrim ömrüdür ancak alternatif sıvı veya katı elektrolitleri değerlendirirken aşağıdaki noktalar dikkatle dikkate alınmalıdır:

• Katı elektrolitin üretim süreci ve sistem tasarımı. Laboratuar ölçüm pilleri tipik olarak elektrotların bir tarafı kaplanmış, birkaç yüz mikron kalınlığında katı elektrolit parçacıklarından oluşur. Bu küçük katı hücreler, büyük hücreler (10 ila 100Ah) için gereken performansı temsil etmez; çünkü 10~100Ah kapasite, mevcut güçlü piller için gereken minimum özelliktir.
• Katı elektrolit ayrıca diyaframın rolünün yerini alır. Ağırlığı ve kalınlığı PP/PE diyaframdan çok daha fazla olduğundan, ağırlık yoğunluğunu elde edecek şekilde ayarlanması gerekir.≥350Wh/kgve enerji yoğunluğu≥900Wh/Ticarileşmesini engellememek için L.

Pil her zaman bir dereceye kadar güvenlik riski oluşturur. Katı elektrolitler, sıvılardan daha güvenli olmasına rağmen mutlaka yanıcı olmadığı anlamına gelmez. Bazı polimerler ve inorganik elektrolitler oksijen veya suyla reaksiyona girerek yangın ve patlama tehlikesi oluşturan ısı ve zehirli gazlar üretebilir. Tek hücrelerin yanı sıra plastikler, kasalar ve paket malzemeleri de kontrolsüz yanmaya neden olabilir. Dolayısıyla sonuçta bütünsel, sistem düzeyinde bir güvenlik testine ihtiyaç vardır.