خلفية

في عام 1800، قام عالم الفيزياء الإيطالي أ. فولتا ببناء الكومة الفولتية، التي فتحت بداية البطاريات العملية ووصفت لأول مرة أهمية المنحل بالكهرباء في أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية. يمكن رؤية الإلكتروليت على أنه طبقة عازلة إلكترونيًا وموصلة للأيونات على شكل سائل أو صلب، يتم إدخالها بين الأقطاب الكهربائية السالبة والموجبة. حاليًا، يتم تصنيع الإلكتروليت الأكثر تقدمًا عن طريق إذابة ملح الليثيوم الصلب (مثل LiPF6) في مذيب كربونات عضوي غير مائي (مثل EC وDMC). وفقًا للشكل العام للخلية وتصميمها، يمثل الإلكتروليت عادةً ما بين 8% إلى 15% من وزن الخلية. ماذا'علاوة على ذلك، فإن قابليته للاشتعال ونطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل هو -10°ج إلى 60°C تعيق بشكل كبير مواصلة تحسين كثافة طاقة البطارية وسلامتها. ولذلك، تعتبر تركيبات الإلكتروليت المبتكرة عامل التمكين الرئيسي لتطوير الجيل القادم من البطاريات الجديدة.

ويعمل الباحثون أيضًا على تطوير أنظمة إلكتروليتية مختلفة. على سبيل المثال، استخدام المذيبات المفلورة التي يمكنها تحقيق دورة فعالة لمعدن الليثيوم، والكهارل الصلبة العضوية أو غير العضوية التي تفيد صناعة المركبات و"بطاريات الحالة الصلبة" (SSB). السبب الرئيسي هو أنه إذا حل المنحل بالكهرباء الصلب محل المنحل بالكهرباء السائل الأصلي والحجاب الحاجز، فيمكن تحسين سلامة البطارية وكثافة الطاقة الفردية وعمرها بشكل كبير. بعد ذلك، نلخص بشكل أساسي التقدم البحثي المتعلق بالإلكتروليتات الصلبة بمواد مختلفة.

الشوارد الصلبة غير العضوية

تم استخدام الشوارد الصلبة غير العضوية في أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية التجارية، مثل بعض البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات درجة الحرارة العالية Na-S وبطاريات Na-NiCl2 وبطاريات Li-I2 الأولية. في عام 2019، عرضت شركة هيتاشي زوسن (اليابان) بطارية كيسية ذات حالة صلبة تبلغ سعتها 140 مللي أمبير في الساعة لاستخدامها في الفضاء واختبارها في محطة الفضاء الدولية (ISS). تتكون هذه البطارية من إلكتروليت كبريتيد ومكونات بطارية أخرى لم يتم الكشف عنها، وهي قادرة على العمل بين -40°ج و100°ج. في عام 2021 ستطرح الشركة بطارية صلبة ذات سعة أعلى تبلغ 1000 مللي أمبير. ترى شركة هيتاشي زوسن الحاجة إلى البطاريات الصلبة للبيئات القاسية مثل الفضاء والمعدات الصناعية التي تعمل في بيئات نموذجية. وتخطط الشركة لمضاعفة سعة البطارية بحلول عام 2025. ولكن حتى الآن، لا يوجد منتج جاهز للاستخدام في بطاريات الحالة الصلبة يمكن استخدامه في السيارات الكهربائية.

الشوارد العضوية وشبه الصلبة والصلبة

وفي فئة الإلكتروليتات الصلبة العضوية، نجحت شركة Bolloré الفرنسية في تسويق إلكتروليت من النوع الهلامي PVDF-HFP وإلكتروليت PEO من النوع الهلامي. وأطلقت الشركة أيضًا برامج تجريبية لتقاسم السيارات في أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا لتطبيق تقنية البطاريات هذه على السيارات الكهربائية، لكن بطارية البوليمر هذه لم يتم اعتمادها على نطاق واسع في سيارات الركاب. أحد العوامل التي تساهم في سوء اعتمادها تجاريًا هو أنه لا يمكن استخدامها إلا في درجات حرارة عالية نسبيًا (50°ج إلى 80°ج) ونطاقات الجهد المنخفض. تُستخدم هذه البطاريات الآن في المركبات التجارية، مثل بعض حافلات المدينة. لا توجد حالات للعمل مع بطاريات إلكتروليت بوليمر صلبة نقية في درجة حرارة الغرفة (أي حوالي 25°ج).

تشتمل فئة المواد شبه الصلبة على إلكتروليتات عالية اللزوجة، مثل مخاليط المذيبات الملحية، ومحلول الإلكتروليت الذي يحتوي على تركيز ملح أعلى من المعيار القياسي 1 مول/لتر، مع تركيزات أو نقاط تشبع تصل إلى 4 مول/لتر. من الأمور المثيرة للقلق بشأن مخاليط الإلكتروليتات المركزة هو المحتوى العالي نسبيًا للأملاح المفلورة، مما يثير أيضًا تساؤلات حول محتوى الليثيوم والأثر البيئي لهذه الإلكتروليتات. وذلك لأن تسويق منتج ناضج يتطلب تحليلاً شاملاً لدورة الحياة. ويجب أيضًا أن تكون المواد الخام اللازمة للإلكتروليتات شبه الصلبة المحضرة بسيطة ومتاحة بسهولة حتى يتم دمجها بسهولة أكبر في السيارات الكهربائية.

الشوارد الهجينة

يمكن تعديل الإلكتروليتات الهجينة، والمعروفة أيضًا باسم الإلكتروليتات المختلطة، استنادًا إلى الإلكتروليتات الهجينة للمذيبات المائية/العضوية أو عن طريق إضافة محلول إلكتروليت سائل غير مائي إلى إلكتروليت صلب، مع الأخذ في الاعتبار قابلية التصنيع وقابلية التوسع للإلكتروليتات الصلبة ومتطلبات تقنية التراص. ومع ذلك، لا تزال هذه الإلكتروليتات الهجينة في مرحلة البحث ولا توجد أمثلة تجارية لها.

اعتبارات للتطوير التجاري للكهارل

تتمثل أعظم مزايا الإلكتروليتات الصلبة في السلامة العالية ودورة الحياة الطويلة، ولكن يجب مراعاة النقاط التالية بعناية عند تقييم الإلكتروليتات السائلة أو الصلبة البديلة:

• عملية التصنيع وتصميم نظام المنحل بالكهرباء الصلبة. تتكون بطاريات القياس المختبري عادةً من جزيئات إلكتروليت صلبة يبلغ سمكها عدة مئات من الميكرونات، ومغطاة على جانب واحد من الأقطاب الكهربائية. لا تمثل هذه الخلايا الصلبة الصغيرة الأداء المطلوب للخلايا الكبيرة (10 إلى 100 أمبير/ساعة)، حيث أن السعة من 10 إلى 100 أمبير/ساعة هي الحد الأدنى من المواصفات المطلوبة لبطاريات الطاقة الحالية.
• يحل المنحل بالكهرباء الصلب أيضًا محل دور الحجاب الحاجز. نظرًا لأن وزنه وسمكه أكبر بكثير من غشاء PP/PE، فيجب تعديله لتحقيق كثافة الوزن≥350 وات/كجموكثافة الطاقة≥900 واط/ساعةL لتجنب عرقلة تسويقه.

تمثل البطارية دائمًا خطرًا على السلامة إلى حد ما. على الرغم من أن الإلكتروليتات الصلبة أكثر أمانًا من السوائل، إلا أنها ليست بالضرورة غير قابلة للاشتعال. يمكن أن تتفاعل بعض البوليمرات والإلكتروليتات غير العضوية مع الأكسجين أو الماء، مما ينتج عنه حرارة وغازات سامة تشكل أيضًا خطر الحريق والانفجار. بالإضافة إلى الخلايا المفردة، يمكن للمواد البلاستيكية والعلب ومواد التغليف أن تسبب احتراقًا لا يمكن السيطرة عليه. لذا، في نهاية المطاف، هناك حاجة إلى اختبار سلامة شامل على مستوى النظام.