Նախապատմություն

1800 թվականին իտալացի ֆիզիկոս Ա.Վոլտան կառուցեց վոլտային կույտը, որը բացեց գործնական մարտկոցների սկիզբը և առաջին անգամ նկարագրեց էլեկտրոլիտի կարևորությունը էլեկտրաքիմիական էներգիայի պահպանման սարքերում: Էլեկտրոլիտը կարող է դիտվել որպես էլեկտրոնային մեկուսիչ և իոնային հաղորդիչ շերտ՝ հեղուկի կամ պինդ տեսքով, որը տեղադրված է բացասական և դրական էլեկտրոդների միջև։ Ներկայումս ամենաառաջադեմ էլեկտրոլիտը պատրաստվում է պինդ լիթիումի աղը (օրինակ՝ LiPF6) լուծելով ոչ ջրային օրգանական կարբոնատային լուծիչում (օրինակ՝ EC և DMC): Համաձայն բջիջի ընդհանուր ձևի և ձևավորման, էլեկտրոլիտը սովորաբար կազմում է բջջի քաշի 8%-ից մինչև 15%-ը: Ինչ'ավելին, դրա դյուրավառությունը և օպտիմալ աշխատանքային ջերմաստիճանի միջակայքը -10°C-ից մինչև 60°C-ն մեծապես խոչընդոտում է մարտկոցի էներգիայի խտության և անվտանգության հետագա բարելավմանը: Հետևաբար, նորարարական էլեկտրոլիտային ձևակերպումները համարվում են նոր մարտկոցների հաջորդ սերնդի մշակման հիմնական հնարավորությունը:

Հետազոտողները նաև աշխատում են տարբեր էլեկտրոլիտային համակարգերի մշակման ուղղությամբ: Օրինակ՝ ֆտորացված լուծիչների օգտագործումը, որոնք կարող են հասնել լիթիումի մետաղի արդյունավետ ցիկլավորման, օրգանական կամ անօրգանական պինդ էլեկտրոլիտների, որոնք օգտակար են ավտոմոբիլային արդյունաբերության համար և «պինդ վիճակում մարտկոցներ» (SSB): Հիմնական պատճառն այն է, որ եթե պինդ էլեկտրոլիտը փոխարինի սկզբնական հեղուկ էլեկտրոլիտին և դիֆրագմին, ապա մարտկոցի անվտանգությունը, մեկ էներգիայի խտությունը և կյանքը կարող են զգալիորեն բարելավվել: Հաջորդը, մենք հիմնականում ամփոփում ենք տարբեր նյութերով պինդ էլեկտրոլիտների հետազոտության առաջընթացը:

Անօրգանական պինդ էլեկտրոլիտներ

Անօրգանական պինդ էլեկտրոլիտներն օգտագործվել են էլեկտրաքիմիական էներգիայի առևտրային պահեստավորման սարքերում, ինչպիսիք են բարձր ջերմաստիճանի վերալիցքավորվող որոշ Na-S, Na-NiCl2 մարտկոցներ և առաջնային Li-I2 մարտկոցներ: Դեռևս 2019-ին Hitachi Zosen-ը (Ճապոնիա) ցուցադրեց 140 մԱ/ժ հզորությամբ տոպրակ մարտկոց, որը կօգտագործվի տիեզերքում և փորձարկվի Միջազգային տիեզերակայանում (ISS): Այս մարտկոցը բաղկացած է սուլֆիդային էլեկտրոլիտից և մարտկոցի այլ չբացահայտված բաղադրիչներից, որոնք կարող են աշխատել -40-ի սահմաններում:°C և 100°C. 2021 թվականին ընկերությունը ներկայացնում է ավելի բարձր հզորությամբ պինդ մարտկոց՝ 1000 mAh: Hitachi Zosen-ը տեսնում է կոշտ մարտկոցների անհրաժեշտությունը կոշտ միջավայրերի համար, ինչպիսիք են տիեզերական և արդյունաբերական սարքավորումները, որոնք աշխատում են սովորական միջավայրում: Ընկերությունը նախատեսում է կրկնապատկել մարտկոցի հզորությունը մինչև 2025 թվականը: Բայց մինչ այժմ գոյություն չունի ոչ մի ամբողջովին պինդ վիճակում գտնվող մարտկոց, որը կարող է օգտագործվել էլեկտրական մեքենաներում:

Օրգանական կիսապինդ և պինդ էլեկտրոլիտներ

Օրգանական պինդ էլեկտրոլիտների կատեգորիայում ֆրանսիական Bolloré-ն հաջողությամբ առևտրայնացրել է գել տիպի PVDF-HFP էլեկտրոլիտ և գել տիպի PEO էլեկտրոլիտ: Ընկերությունը նաև գործարկել է ավտոմեքենաների փոխանակման փորձնական ծրագրեր Հյուսիսային Ամերիկայում, Եվրոպայում և Ասիայում՝ մարտկոցների այս տեխնոլոգիան էլեկտրական մեքենաներում կիրառելու համար, սակայն այս պոլիմերային մարտկոցը երբեք լայնորեն չի կիրառվել մարդատար մեքենաներում: Դրանց առևտրային վատ ընդունմանը նպաստող գործոնն այն է, որ դրանք կարող են օգտագործվել միայն համեմատաբար բարձր ջերմաստիճաններում (50°C-ից մինչև 80°Գ) և ցածր լարման միջակայքերը: Այս մարտկոցներն այժմ օգտագործվում են կոմերցիոն մեքենաներում, օրինակ՝ որոշ քաղաքային ավտոբուսներում: Մաքուր պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտային մարտկոցների հետ աշխատելու դեպքեր չկան սենյակային ջերմաստիճանում (այսինքն՝ մոտ 25°Գ).

Կիսապինդ կատեգորիան ներառում է բարձր մածուցիկ էլեկտրոլիտներ, ինչպիսիք են աղ-լուծիչ խառնուրդները, էլեկտրոլիտային լուծույթը, որն ունի ստանդարտ 1 մոլ/լ-ից բարձր աղի կոնցենտրացիան, 4 մոլ/լ-ից բարձր կոնցենտրացիաներով կամ հագեցվածության կետերով: Կոնցենտրացված էլեկտրոլիտային խառնուրդների հետ կապված մտահոգությունը ֆտորացված աղերի համեմատաբար բարձր պարունակությունն է, ինչը նաև հարցեր է առաջացնում նման էլեկտրոլիտների լիթիումի պարունակության և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության վերաբերյալ: Դա պայմանավորված է նրանով, որ հասուն արտադրանքի առևտրայնացումը պահանջում է կյանքի ցիկլի համապարփակ վերլուծություն: Եվ պատրաստի կիսապինդ էլեկտրոլիտների հումքը նույնպես պետք է լինի պարզ և մատչելի, որպեսզի ավելի հեշտ ինտեգրվի էլեկտրական մեքենաներին:

Հիբրիդային էլեկտրոլիտներ

Հիբրիդային էլեկտրոլիտները, որոնք նաև հայտնի են որպես խառը էլեկտրոլիտներ, կարող են փոփոխվել ջրային/օրգանական լուծիչների հիբրիդային էլեկտրոլիտների հիման վրա կամ պինդ էլեկտրոլիտին ոչ ջրային հեղուկ էլեկտրոլիտի լուծույթ ավելացնելով՝ հաշվի առնելով պինդ էլեկտրոլիտների արտադրական և մասշտաբայնությունը և կուտակման տեխնոլոգիայի պահանջները: Այնուամենայնիվ, նման հիբրիդային էլեկտրոլիտները դեռ հետազոտության փուլում են և առևտրային օրինակներ չկան:

Էլեկտրոլիտների կոմերցիոն զարգացման նկատառումներ

Պինդ էլեկտրոլիտների ամենամեծ առավելություններն են բարձր անվտանգությունը և երկար ցիկլի կյանքը, սակայն այլընտրանքային հեղուկ կամ պինդ էլեկտրոլիտները գնահատելիս պետք է ուշադիր հաշվի առնել հետևյալ կետերը.

• Պինդ էլեկտրոլիտի արտադրության գործընթացը և համակարգի ձևավորումը: Լաբորատոր չափիչ մարտկոցները սովորաբար բաղկացած են մի քանի հարյուր միկրոն հաստությամբ պինդ էլեկտրոլիտի մասնիկներից, որոնք պատված են էլեկտրոդների մի կողմում: Այս փոքր պինդ բջիջները չեն ներկայացնում մեծ բջիջների համար (10-ից 100Ah) պահանջվող կատարողականությունը, քանի որ 10-100Ah հզորությունը ընթացիկ հոսանքի մարտկոցների համար պահանջվող նվազագույն բնութագրումն է:
• Պինդ էլեկտրոլիտը նույնպես փոխարինում է դիֆրագմայի դերը։ Քանի որ դրա քաշը և հաստությունը ավելի մեծ են, քան PP/PE դիֆրագմը, այն պետք է ճշգրտվի քաշի խտության հասնելու համար≥350 Վտժ / կգև էներգիայի խտությունը≥900Wh/L՝ դրա առևտրայնացմանը խոչընդոտելուց խուսափելու համար։

Մարտկոցը միշտ ինչ-որ չափով անվտանգության վտանգ է ներկայացնում: Պինդ էլեկտրոլիտները, թեև ավելի անվտանգ են, քան հեղուկները, պարտադիր չէ, որ դյուրավառ լինեն: Որոշ պոլիմերներ և անօրգանական էլեկտրոլիտներ կարող են արձագանքել թթվածնի կամ ջրի հետ՝ առաջացնելով ջերմություն և թունավոր գազեր, որոնք նույնպես հրդեհի և պայթյունի վտանգ են ներկայացնում: Բացի միայնակ բջիջներից, պլաստմասսաները, պատյանները և փաթեթավորման նյութերը կարող են անվերահսկելի այրման պատճառ դառնալ: Այսպիսով, ի վերջո, անհրաժեշտ է ամբողջական, համակարգի մակարդակի անվտանգության թեստ: