רקע כללי

בשנת 1800, הפיזיקאי האיטלקי א' וולטה בנה את הערימה הוולטאית, שפתחה את תחילתן של סוללות מעשיות ותיאר לראשונה את חשיבות האלקטרוליט במכשירי אחסון אנרגיה אלקטרוכימית.ניתן לראות את האלקטרוליט כשכבה אלקטרונית מבודדת ומוליכת יונים בצורת נוזל או מוצק, המוכנסת בין האלקטרודה השלילית והחיובית.נכון לעכשיו, האלקטרוליט המתקדם ביותר מיוצר על ידי המסת מלח הליתיום המוצק (למשל LiPF6) בממס קרבונט אורגני לא מימי (למשל EC ו-DMC).לפי הצורה והעיצוב הכללי של התא, האלקטרוליט מהווה בדרך כלל 8% עד 15% ממשקל התא.מה'יותר מכך, דליקותו וטווח טמפרטורת הפעלה אופטימלי של -10°C עד 60°C מעכב מאוד שיפור נוסף של צפיפות האנרגיה והבטיחות של הסוללה.לכן, פורמולציות אלקטרוליטים חדשניות נחשבות למאפשר המפתח לפיתוח הדור הבא של סוללות חדשות.

החוקרים פועלים גם לפיתוח מערכות אלקטרוליטים שונות.לדוגמה, שימוש בממיסים מופלרים שיכולים להשיג מחזוריות מתכת ליתיום יעילה, אלקטרוליטים מוצקים אורגניים או אנאורגניים המועילים לתעשיית הרכב ו"סוללות מצב מוצק" (SSB).הסיבה העיקרית היא שאם האלקטרוליט המוצק יחליף את האלקטרוליט הנוזלי והדיאפרגמה המקוריים, ניתן לשפר משמעותית את הבטיחות, צפיפות האנרגיה היחידה וחיי הסוללה.לאחר מכן, אנו מסכמים בעיקר את התקדמות המחקר של אלקטרוליטים מוצקים עם חומרים שונים.

אלקטרוליטים מוצקים אנאורגניים

אלקטרוליטים מוצקים אנאורגניים שימשו בהתקני אחסון אנרגיה אלקטרוכימיים מסחריים, כגון כמה סוללות נטענות בטמפרטורה גבוהה Na-S, Na-NiCl2 וסוללות Li-I2 ראשוניות.עוד בשנת 2019, Hitachi Zosen (יפן) הדגימה סוללת פאוץ' של 140 מיליאמפר/שעה לשימוש בחלל ותבדק בתחנת החלל הבינלאומית (ISS).סוללה זו מורכבת מאלקטרוליט גופרתי ורכיבי סוללה לא ידועים אחרים, מסוגלת לפעול בין -40°C ו-100°ג. בשנת 2021 החברה מציגה סוללה מוצקה בקיבולת גבוהה יותר של 1,000 mAh.Hitachi Zosen רואה צורך בסוללות מוצקות עבור סביבות קשות כמו חלל וציוד תעשייתי הפועלים בסביבות טיפוסיות.החברה מתכננת להכפיל את קיבולת הסוללה עד שנת 2025. אך עד כה, אין מוצר סוללה מהמדף שניתן להשתמש בו בכלי רכב חשמליים.

אלקטרוליטים אורגניים מוצקים למחצה ומוצקים

בקטגוריית האלקטרוליטים המוצקים האורגניים, Bolloré הצרפתית פרסמה בהצלחה אלקטרוליט מסוג PVDF-HFP מסוג ג'ל ואלקטרוליט מסוג PEO מסוג ג'ל.החברה גם השיקה תוכניות פיילוט לשיתוף מכוניות בצפון אמריקה, אירופה ואסיה כדי ליישם את טכנולוגיית הסוללה הזו על כלי רכב חשמליים, אך סוללה פולימר זו מעולם לא אומצה באופן נרחב במכוניות נוסעים.גורם אחד התורם לאימוץ המסחרי הגרוע שלהם הוא שניתן להשתמש בהם רק בטמפרטורות גבוהות יחסית (50°C עד 80°ג) וטווחי מתח נמוך.סוללות אלו נמצאות כעת בשימוש בכלי רכב מסחריים, כמו כמה אוטובוסים עירוניים.אין מקרים של עבודה עם סוללות אלקטרוליט פולימרי מוצק טהור בטמפרטורת החדר (כלומר, בסביבות 25°ג).

הקטגוריה מוצקה למחצה כוללת אלקטרוליטים בעלי צמיגות גבוהה, כגון תערובות מלח-ממסים, תמיסת האלקטרוליטים שריכוז המלח שלה גבוה מהסטנדרטי של 1 מול/ליטר, עם ריכוזים או נקודות רוויה גבוהות עד 4 מול/ליטר.דאגה עם תערובות אלקטרוליטים מרוכזות היא התכולה הגבוהה יחסית של מלחים מופלרים, מה שמעלה גם שאלות לגבי תכולת הליתיום וההשפעה הסביבתית של אלקטרוליטים כאלה.הסיבה לכך היא שמסחור של מוצר בוגר דורש ניתוח מחזור חיים מקיף.וחומרי הגלם עבור האלקטרוליטים המוצקים למחצה צריכים להיות פשוטים וזמינים כדי להשתלב בקלות רבה יותר בכלי רכב חשמליים.

אלקטרוליטים היברידיים

אלקטרוליטים היברידיים, הידועים גם בשם אלקטרוליטים מעורבים, ניתנים לשינוי בהתבסס על אלקטרוליטים היברידיים ממסים מימיים/אורגניים או על ידי הוספת תמיסת אלקטרוליט נוזלית לא מימית לאלקטרוליט מוצק, בהתחשב ביכולת הייצור וההרחבה של אלקטרוליטים מוצקים ובדרישות לטכנולוגיית הערמה.עם זאת, אלקטרוליטים היברידיים כאלה עדיין נמצאים בשלב המחקר ואין דוגמאות מסחריות.

שיקולים לפיתוח מסחרי של אלקטרוליטים

היתרונות הגדולים ביותר של אלקטרוליטים מוצקים הם בטיחות גבוהה וחיי מחזור ארוכים, אך יש לשקול היטב את הנקודות הבאות בעת הערכת אלקטרוליטים נוזליים או מוצקים חלופיים:

• תהליך ייצור ותכנון מערכת של אלקטרוליט מוצק.סוללות מד מעבדה מורכבות בדרך כלל מחלקיקי אלקטרוליט מוצקים בעובי של כמה מאות מיקרונים, המצופים בצד אחד של האלקטרודות.תאים מוצקים קטנים אלה אינם מייצגים את הביצועים הנדרשים עבור תאים גדולים (10 עד 100Ah), שכן קיבולת של 10~100Ah היא המפרט המינימלי הנדרש עבור סוללות כוח נוכחיות.
• אלקטרוליט מוצק מחליף גם את תפקיד הסרעפת.מכיוון שהמשקל והעובי שלו גבוהים יותר מסרעפת PP/PE, יש להתאים אותה כדי להשיג צפיפות משקל≥350Wh/kgוצפיפות אנרגיה≥900Wh/L כדי למנוע פגיעה במסחור שלו.

סוללה היא תמיד סיכון בטיחותי במידה מסוימת.אלקטרוליטים מוצקים, למרות שהם בטוחים יותר מנוזלים, אינם בהכרח לא דליקים.כמה פולימרים ואלקטרוליטים אנאורגניים יכולים להגיב עם חמצן או מים, לייצר חום וגזים רעילים המהווים גם סכנת שריפה ופיצוץ.בנוסף לתאים בודדים, פלסטיק, מארזים וחומרי אריזה עלולים לגרום לבעירה בלתי נשלטת.אז בסופו של דבר, יש צורך בבדיקת בטיחות הוליסטית ברמת המערכת.