Fondo

En 1800, o físico italiano A. Volta construíu a pila voltaica, que abriu o inicio das baterías prácticas e describiu por primeira vez a importancia do electrólito nos dispositivos de almacenamento de enerxía electroquímica. O electrólito pódese ver como unha capa illante electrónica e condutora de iones en forma de líquido ou sólido, inserida entre os electrodos negativo e positivo. Actualmente, o electrólito máis avanzado faise disolvendo o sal de litio sólido (por exemplo, LiPF6) en disolvente de carbonato orgánico non acuoso (por exemplo, EC e DMC). Segundo a forma e deseño xeral da cela, o electrólito normalmente representa entre o 8% e o 15% do peso da cela. Que's máis, a súa inflamabilidade e rango óptimo de temperatura de funcionamento de -10°C ata 60°C dificulta moito a mellora da densidade de enerxía da batería e da seguridade. Polo tanto, considérase que as formulacións de electrólitos innovadoras son o factor clave para o desenvolvemento da próxima xeración de novas baterías.

Os investigadores tamén están a traballar para desenvolver diferentes sistemas de electrólitos. Por exemplo, o uso de disolventes fluorados que poden conseguir un ciclo de metal de litio eficiente, electrólitos sólidos orgánicos ou inorgánicos que son beneficiosos para a industria do vehículo e "baterías de estado sólido" (SSB). A razón principal é que se o electrólito sólido substitúe o electrólito líquido orixinal e o diafragma, a seguridade, a densidade de enerxía única e a vida útil da batería pódense mellorar significativamente. A continuación, resumimos principalmente o progreso da investigación de electrólitos sólidos con diferentes materiais.

Electrolitos sólidos inorgánicos

Os electrólitos sólidos inorgánicos utilizáronse en dispositivos comerciais de almacenamento de enerxía electroquímica, como algunhas baterías recargables de alta temperatura Na-S, baterías Na-NiCl2 e baterías primarias de Li-I2. En 2019, Hitachi Zosen (Xapón) demostrou unha batería de bolsa de estado sólido de 140 mAh para ser usada no espazo e probada na Estación Espacial Internacional (ISS). Esta batería está composta por un electrólito de sulfuro e outros compoñentes da batería non revelados, podendo funcionar entre -40°C e 100°C. En 2021 a compañía presenta unha batería sólida de maior capacidade de 1.000 mAh. Hitachi Zosen ve a necesidade de baterías sólidas para ambientes duros, como espazos e equipos industriais que operan en ambientes típicos. A compañía planea duplicar a capacidade da batería para 2025. Pero ata agora, non hai ningún produto de batería de estado sólido que se poida usar en vehículos eléctricos.

Electrólitos orgánicos semisólidos e sólidos

Na categoría de electrólitos sólidos orgánicos, a francesa Bolloré comercializou con éxito un electrólito PVDF-HFP tipo xel e un electrólito PEO tipo xel. A compañía tamén lanzou programas piloto de uso compartido de vehículos en Norteamérica, Europa e Asia para aplicar esta tecnoloxía de batería a vehículos eléctricos, pero esta batería de polímero nunca foi amplamente adoptada nos turismos. Un factor que contribúe á súa escasa adopción comercial é que só se poden usar a temperaturas relativamente altas (50°C ata 80°C) e rangos de baixa tensión. Estas baterías utilízanse agora en vehículos comerciais, como algúns autobuses urbanos. Non hai casos de traballo con baterías de electrólitos de polímero sólido puro a temperatura ambiente (é dicir, ao redor de 25°C).

A categoría semisólido inclúe os electrólitos altamente viscosos, como as mesturas de sal-disolvente, a solución de electrólitos que ten unha concentración de sal superior á norma 1 mol/L, con concentracións ou puntos de saturación de ata 4 mol/L. Unha preocupación coas mesturas de electrólitos concentrados é o contido relativamente alto de sales fluoradas, o que tamén suscita dúbidas sobre o contido de litio e o impacto ambiental destes electrólitos. Isto débese a que a comercialización dun produto maduro require unha análise integral do ciclo de vida. E as materias primas para os electrólitos semisólidos preparados tamén deben ser sinxelas e facilmente dispoñibles para integrarse máis facilmente nos vehículos eléctricos.

Electrolitos híbridos

Os electrólitos híbridos, tamén coñecidos como electrólitos mixtos, pódense modificar en función de electrólitos híbridos de disolventes acuosos/orgánicos ou engadindo unha solución de electrólitos líquidos non acuosos a un electrólito sólido, tendo en conta a capacidade de fabricación e escalabilidade dos electrólitos sólidos e os requisitos para a tecnoloxía de apilado. Non obstante, estes electrólitos híbridos aínda están en fase de investigación e non hai exemplos comerciais.

Consideracións para o desenvolvemento comercial de electrólitos

As maiores vantaxes dos electrólitos sólidos son a alta seguridade e un longo ciclo de vida, pero os seguintes puntos deben considerarse coidadosamente ao avaliar electrólitos líquidos ou sólidos alternativos:

• Proceso de fabricación e deseño do sistema de electrólito sólido. As baterías de calibre de laboratorio consisten normalmente en partículas de electrólitos sólidos con varios centos de micras de espesor, recubertas nun lado dos electrodos. Estas pequenas células sólidas non son representativas do rendemento necesario para as células grandes (de 10 a 100 Ah), xa que a capacidade de 10 ~ 100 Ah é a especificación mínima necesaria para as baterías de enerxía actual.
• O electrólito sólido tamén substitúe o papel do diafragma. Como o seu peso e grosor son máis grandes que o diafragma PP/PE, debe axustarse para acadar a densidade de peso.≥350 Wh/kge densidade de enerxía≥900Wh/L para evitar impedir a súa comercialización.

A batería é sempre un risco de seguridade ata certo punto. Os electrólitos sólidos, aínda que son máis seguros que os líquidos, non son necesariamente non inflamables. Algúns polímeros e electrólitos inorgánicos poden reaccionar co osíxeno ou coa auga, producindo calor e gases tóxicos que tamén supoñen un perigo de incendio e explosión. Ademais das células simples, os plásticos, as caixas e os materiais de embalaxe poden provocar unha combustión incontrolable. Polo que, en última instancia, é necesaria unha proba de seguridade holística a nivel de sistema.