Sfondo

Nel 1800, il fisico italiano A. Volta costruì la pila voltaica, che aprì l'inizio delle batterie pratiche e descrisse per la prima volta l'importanza dell'elettrolita nei dispositivi elettrochimici di accumulo dell'energia. L'elettrolita può essere visto come uno strato elettronicamente isolante e conduttore di ioni sotto forma di liquido o solido, inserito tra gli elettrodi negativo e positivo. Attualmente, l'elettrolita più avanzato viene prodotto sciogliendo il sale di litio solido (ad esempio LiPF6) in solvente di carbonato organico non acquoso (ad esempio EC e DMC). In base alla forma e al design generale della cella, l'elettrolita rappresenta tipicamente dall'8% al 15% del peso della cella. Che cosa'Inoltre, la sua infiammabilità e l'intervallo di temperatura operativa ottimale di -10°C a 60°C ostacolano notevolmente l'ulteriore miglioramento della densità energetica e della sicurezza della batteria. Pertanto, le formulazioni innovative di elettroliti sono considerate il fattore chiave per lo sviluppo della prossima generazione di nuove batterie.

I ricercatori stanno anche lavorando per sviluppare diversi sistemi elettrolitici. Ad esempio, l’uso di solventi fluorurati che possono ottenere un efficiente ciclo del litio metallico, elettroliti solidi organici o inorganici a vantaggio dell’industria automobilistica e “batterie allo stato solido” (SSB). Il motivo principale è che se l'elettrolita solido sostituisce l'elettrolita liquido e il diaframma originali, la sicurezza, la densità di energia singola e la durata della batteria possono essere notevolmente migliorate. Successivamente, riassumiamo principalmente i progressi della ricerca sugli elettroliti solidi con diversi materiali.

Elettroliti solidi inorganici

Gli elettroliti solidi inorganici sono stati utilizzati nei dispositivi commerciali di accumulo dell'energia elettrochimica, come alcune batterie ricaricabili ad alta temperatura Na-S, batterie Na-NiCl2 e batterie primarie Li-I2. Nel 2019, Hitachi Zosen (Giappone) ha presentato una batteria a tasca interamente a stato solido da 140 mAh da utilizzare nello spazio e testata sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Questa batteria è composta da un elettrolita solforato e altri componenti non dichiarati ed è in grado di funzionare tra -40°C e 100°C. Nel 2021 l'azienda introdurrà una batteria solida con capacità maggiore di 1.000 mAh. Hitachi Zosen vede la necessità di batterie solide per ambienti difficili come lo spazio e le apparecchiature industriali che operano in ambienti tipici. L’azienda prevede di raddoppiare la capacità della batteria entro il 2025. Ma finora non esiste un prodotto standard con batterie allo stato solido che possa essere utilizzato nei veicoli elettrici.

Elettroliti organici semisolidi e solidi

Nella categoria degli elettroliti solidi organici, la francese Bolloré ha commercializzato con successo un elettrolita PVDF-HFP di tipo gel e un elettrolita PEO di tipo gel. L’azienda ha anche lanciato programmi pilota di car sharing in Nord America, Europa e Asia per applicare questa tecnologia delle batterie ai veicoli elettrici, ma questa batteria ai polimeri non è mai stata ampiamente adottata nelle autovetture. Un fattore che contribuisce alla loro scarsa adozione commerciale è che possono essere utilizzati solo a temperature relativamente elevate (50°C-80°C) e gamme di bassa tensione. Queste batterie vengono ora utilizzate nei veicoli commerciali, come alcuni autobus urbani. Non esistono casi di funzionamento con batterie con elettrolita polimerico solido puro a temperatura ambiente (cioè intorno a 25°C).

La categoria semisolida comprende elettroliti altamente viscosi, come le miscele sale-solvente, la soluzione elettrolitica che ha una concentrazione salina superiore allo standard 1 mol/L, con concentrazioni o punti di saturazione fino a 4 mol/L. Una preoccupazione relativa alle miscele elettrolitiche concentrate è il contenuto relativamente elevato di sali fluorurati, che solleva anche interrogativi sul contenuto di litio e sull’impatto ambientale di tali elettroliti. Questo perché la commercializzazione di un prodotto maturo richiede un’analisi completa del ciclo di vita. E anche le materie prime per gli elettroliti semisolidi preparati devono essere semplici e facilmente disponibili per essere integrate più facilmente nei veicoli elettrici.

Elettroliti ibridi

Gli elettroliti ibridi, noti anche come elettroliti misti, possono essere modificati sulla base di elettroliti ibridi solventi acquosi/organici o aggiungendo una soluzione elettrolitica liquida non acquosa a un elettrolita solido, considerando la producibilità e la scalabilità degli elettroliti solidi e i requisiti della tecnologia di impilamento. Tuttavia, tali elettroliti ibridi sono ancora in fase di ricerca e non esistono esempi commerciali.

Considerazioni per lo sviluppo commerciale degli elettroliti

I maggiori vantaggi degli elettroliti solidi sono l'elevata sicurezza e la lunga durata, ma i seguenti punti dovrebbero essere considerati attentamente quando si valutano elettroliti liquidi o solidi alternativi:

• Processo di produzione e progettazione del sistema di elettrolita solido. Le batterie di calibro da laboratorio sono generalmente costituite da particelle di elettrolita solido con uno spessore di diverse centinaia di micron, rivestite su un lato degli elettrodi. Queste piccole celle solide non sono rappresentative delle prestazioni richieste per celle di grandi dimensioni (da 10 a 100 Ah), poiché la capacità di 10~100 Ah è la specifica minima richiesta per le attuali batterie di alimentazione.
• L'elettrolita solido sostituisce anche il ruolo del diaframma. Poiché il suo peso e il suo spessore sono molto maggiori del diaframma in PP/PE, deve essere regolato per ottenere la densità di peso≥350Wh/kge densità di energia≥900Wh/L per evitare di ostacolarne la commercializzazione.

La batteria rappresenta sempre, in una certa misura, un rischio per la sicurezza. Gli elettroliti solidi, sebbene siano più sicuri dei liquidi, non sono necessariamente non infiammabili. Alcuni polimeri ed elettroliti inorganici possono reagire con l'ossigeno o l'acqua, producendo calore e gas tossici che rappresentano anche un pericolo di incendio ed esplosione. Oltre alle singole celle, anche la plastica, le custodie e i materiali dell'imballaggio possono causare una combustione incontrollabile. Quindi, in definitiva, è necessario un test di sicurezza olistico a livello di sistema.