Taust

1800. aastal ehitas Itaalia füüsik A. Volta voltaku, mis avas praktiliste patareide alguse ja kirjeldas esimest korda elektrolüüdi tähtsust elektrokeemilistes energiasalvestites. Elektrolüüti võib vaadelda elektrooniliselt isoleeriva ja ioone juhtiva kihina vedela või tahke kujul, mis on sisestatud negatiivse ja positiivse elektroodi vahele. Praegu valmistatakse kõige arenenum elektrolüüt tahke liitiumisoola (nt LiPF6) lahustamisel mittevesipõhises orgaanilises karbonaadis (nt EC ja DMC). Vastavalt raku üldisele vormile ja konstruktsioonile moodustab elektrolüüt tavaliselt 8–15% elemendi massist. Mida's rohkem, selle süttivus ja optimaalne töötemperatuuri vahemik -10°C kuni 60°C takistab oluliselt aku energiatiheduse ja ohutuse edasist parandamist. Seetõttu peetakse uuenduslikke elektrolüütide koostisi järgmise põlvkonna uute akude väljatöötamise peamiseks teguriks.

Teadlased tegelevad ka erinevate elektrolüütide süsteemide väljatöötamisega. Näiteks fluoritud lahustite kasutamine, millega on võimalik saavutada tõhus liitiummetalli ringlus, orgaanilised või anorgaanilised tahked elektrolüüdid, mis on kasulikud sõidukitööstusele, ja tahkisakud (SSB). Peamine põhjus on see, et kui tahke elektrolüüt asendab esialgse vedela elektrolüüdi ja membraani, saab aku ohutust, ühtset energiatihedust ja eluiga oluliselt parandada. Järgnevalt võtame peamiselt kokku erinevate materjalidega tahkete elektrolüütide uurimise käigust.

Anorgaanilised tahked elektrolüüdid

Anorgaanilisi tahkeid elektrolüüte on kasutatud kaubanduslikes elektrokeemilistes energiasalvestusseadmetes, nagu mõned kõrgel temperatuuril laetavad Na-S, Na-NiCl2 akud ja primaarsed Li-I2 akud. Aastal 2019 demonstreeris Hitachi Zosen (Jaapan) 140 mAh täistahkepatarei, mida kasutati kosmoses ja mida testiti rahvusvahelises kosmosejaamas (ISS). See aku koosneb sulfiidelektrolüüdist ja muudest avalikustamata akukomponentidest, mis on võimelised töötama vahemikus -40°C ja 100°C. 2021. aastal tutvustab ettevõte suurema mahutavusega tahke akut, 1000 mAh. Hitachi Zosen näeb vajadust tahkete akude järele karmides keskkondades, nagu kosmose- ja tööstusseadmed, mis töötavad tüüpilistes keskkondades. Ettevõte plaanib aku mahtuvust kahekordistada aastaks 2025. Seni aga ei ole ühtegi valmistoodet täistahkefaasilist akut, mida saaks kasutada elektrisõidukites.

Orgaanilised pooltahked ja tahked elektrolüüdid

Orgaanilise tahke elektrolüüdi kategoorias on Prantsusmaa Bolloré edukalt turustanud geel-tüüpi PVDF-HFP elektrolüüdi ja geel-tüüpi PEO-elektrolüüti. Ettevõte on käivitanud ka autojagamise pilootprogrammid Põhja-Ameerikas, Euroopas ja Aasias, et rakendada seda akutehnoloogiat elektrisõidukites, kuid seda polümeerakut pole sõiduautodes kunagi laialdaselt kasutusele võetud. Üks tegur, mis aitab kaasa nende halvale kaubanduslikule kasutuselevõtule, on see, et neid saab kasutada ainult suhteliselt kõrgel temperatuuril (50°C kuni 80°C) ja madalpinge vahemikud. Neid akusid kasutatakse nüüd tarbesõidukites, näiteks mõnedes linnaliinibussides. Toatemperatuuril (st umbes 25 °C) puhaste tahke polümeeri elektrolüütpatareidega ei töötata ühtegi juhtumit°C).

Pooltahke kategooria hõlmab väga viskoosseid elektrolüüte, nagu soola-lahusti segud, elektrolüüdilahused, mille soola kontsentratsioon on kõrgem kui standardne 1 mol/L, mille kontsentratsioon või küllastuspunkt on kuni 4 mol/L. Kontsentreeritud elektrolüütide segude puhul tekitab muret suhteliselt kõrge fluoritud soolade sisaldus, mis tekitab küsimusi ka selliste elektrolüütide liitiumisisalduse ja keskkonnamõju kohta. Seda seetõttu, et küpse toote turustamine nõuab põhjalikku olelustsükli analüüsi. Valmistatud pooltahkete elektrolüütide toorained peavad samuti olema lihtsad ja kergesti kättesaadavad, et neid oleks kergem elektrisõidukitesse integreerida.

Hübriidsed elektrolüüdid

Hübriidelektrolüüte, tuntud ka kui segaelektrolüüte, saab modifitseerida vesi/orgaanilise lahusti hübriidelektrolüütide baasil või tahkele elektrolüüdile mittevesilahuse vedela elektrolüüdi lahuse lisamisega, arvestades tahkete elektrolüütide valmistatavust ja mastaapsust ning virnastamistehnoloogia nõudeid. Sellised hübriidelektrolüüdid on aga alles uurimisjärgus ja kaubanduslikke näiteid pole.

Elektrolüütide kaubandusliku arendamise kaalutlused

Tahkete elektrolüütide suurimad eelised on kõrge ohutus ja pikk kasutusiga, kuid alternatiivsete vedelate või tahkete elektrolüütide hindamisel tuleks hoolikalt kaaluda järgmisi punkte:

• Tahke elektrolüüdi tootmisprotsess ja süsteemi projekteerimine. Laboratoorsed akud koosnevad tavaliselt mitmesaja mikroni paksustest tahketest elektrolüüdiosakestest, mis on kaetud elektroodide ühel küljel. Need väikesed tahked elemendid ei esinda suurte elementide (10 kuni 100 Ah) jaoks nõutavat jõudlust, kuna võimsus 10–100 Ah on praeguste toiteakude minimaalne spetsifikatsioon.
• Tahke elektrolüüt asendab ka membraani rolli. Kuna selle kaal ja paksus on suuremad kui PP/PE diafragma, tuleb seda kaalutiheduse saavutamiseks reguleerida≥350Wh/kgja energiatihedus≥900Wh/L, et vältida selle turustamise takistamist.

Aku on alati mingil määral ohutusrisk. Tahked elektrolüüdid, kuigi need on ohutumad kui vedelikud, ei pruugi olla mittesüttivad. Mõned polümeerid ja anorgaanilised elektrolüüdid võivad reageerida hapniku või veega, tekitades kuumust ja mürgiseid gaase, mis kujutavad endast ka tulekahju- ja plahvatusohtu. Lisaks üksikutele elementidele võivad kontrollimatut põlemist põhjustada plast, korpused ja pakendimaterjalid. Seega on lõppkokkuvõttes vaja terviklikku süsteemitasemel ohutustesti.