Hintergrund

Im Jahr 1800 baute der italienische Physiker A. Volta die Volta-Säule, die den Beginn praktischer Batterien eröffnete und erstmals die Bedeutung des Elektrolyten in elektrochemischen Energiespeichergeräten beschrieb. Der Elektrolyt kann als elektronisch isolierende und ionenleitende Schicht in flüssiger oder fester Form betrachtet werden, die zwischen der negativen und der positiven Elektrode eingefügt wird. Der derzeit fortschrittlichste Elektrolyt wird durch Auflösen des festen Lithiumsalzes (z. B. LiPF6) in nichtwässrigen organischen Carbonatlösungsmitteln (z. B. EC und DMC) hergestellt. Je nach allgemeiner Zellform und -konstruktion macht der Elektrolyt typischerweise 8 bis 15 % des Zellgewichts aus. Was'Darüber hinaus sind seine Entflammbarkeit und sein optimaler Betriebstemperaturbereich von -10 °C zu nennen°C bis 60°C behindert eine weitere Verbesserung der Batterieenergiedichte und -sicherheit erheblich. Daher gelten innovative Elektrolytformulierungen als Schlüsselfaktor für die Entwicklung der nächsten Generation neuer Batterien.

Forscher arbeiten auch an der Entwicklung verschiedener Elektrolytsysteme. Zum Beispiel die Verwendung fluorierter Lösungsmittel, die einen effizienten Lithiummetallkreislauf ermöglichen, organische oder anorganische Festelektrolyte, die der Fahrzeugindustrie zugute kommen, und „Festkörperbatterien“ (SSB). Der Hauptgrund besteht darin, dass die Sicherheit, die Einzelenergiedichte und die Lebensdauer der Batterie erheblich verbessert werden können, wenn der Festelektrolyt den ursprünglichen Flüssigelektrolyten und die Membran ersetzt. Als nächstes fassen wir hauptsächlich den Forschungsfortschritt bei Festelektrolyten mit unterschiedlichen Materialien zusammen.

Anorganische Festelektrolyte

Anorganische Festelektrolyte wurden in kommerziellen elektrochemischen Energiespeichergeräten verwendet, beispielsweise in einigen wiederaufladbaren Hochtemperaturbatterien Na-S, Na-NiCl2-Batterien und primären Li-I2-Batterien. Bereits 2019 stellte Hitachi Zosen (Japan) eine All-Solid-State-Pouch-Batterie mit 140 mAh vor, die im Weltraum eingesetzt und auf der Internationalen Raumstation (ISS) getestet werden sollte. Diese Batterie besteht aus einem Sulfidelektrolyten und anderen nicht genannten Batteriekomponenten und kann zwischen -40 °C betrieben werden°C und 100°C. Im Jahr 2021 stellt das Unternehmen einen Feststoffakku mit höherer Kapazität von 1.000 mAh vor. Hitachi Zosen sieht den Bedarf an Feststoffbatterien für raue Umgebungen wie den Weltraum und Industrieanlagen, die in typischen Umgebungen betrieben werden. Das Unternehmen plant, die Batteriekapazität bis 2025 zu verdoppeln. Doch bisher gibt es kein serienmäßiges Festkörperbatterieprodukt, das in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann.

Organische halbfeste und feste Elektrolyte

In der Kategorie der organischen Festelektrolyte hat das französische Unternehmen Bolloré erfolgreich einen PVDF-HFP-Elektrolyten vom Geltyp und einen PEO-Elektrolyten vom Geltyp auf den Markt gebracht. Das Unternehmen hat auch Car-Sharing-Pilotprogramme in Nordamerika, Europa und Asien gestartet, um diese Batterietechnologie auf Elektrofahrzeuge anzuwenden, aber diese Polymerbatterie wurde in Personenkraftwagen nie weit verbreitet. Ein Faktor, der zu ihrer geringen kommerziellen Akzeptanz beiträgt, ist, dass sie nur bei relativ hohen Temperaturen (50 °C) verwendet werden können°C bis 80°C) und Niederspannungsbereiche. Mittlerweile kommen diese Batterien in Nutzfahrzeugen zum Einsatz, beispielsweise in einigen Stadtbussen. Es gibt keine Fälle, in denen mit reinen Festpolymerelektrolytbatterien bei Raumtemperatur (d. h. etwa 25 °C) gearbeitet wird°C).

Die Kategorie der halbfesten Elektrolyte umfasst hochviskose Elektrolyte wie Salz-Lösungsmittel-Gemische, also Elektrolytlösungen mit einer Salzkonzentration über dem Standardwert von 1 mol/L und Konzentrationen bzw. Sättigungspunkten von bis zu 4 mol/L. Ein Problem bei konzentrierten Elektrolytmischungen ist der relativ hohe Gehalt an fluorierten Salzen, der auch Fragen zum Lithiumgehalt und den Umweltauswirkungen solcher Elektrolyte aufwirft. Denn die Kommerzialisierung eines ausgereiften Produkts erfordert eine umfassende Lebenszyklusanalyse. Und auch die Rohstoffe für die vorbereiteten halbfesten Elektrolyte müssen einfach und leicht verfügbar sein, damit sie leichter in Elektrofahrzeuge integriert werden können.

Hybridelektrolyte

Hybridelektrolyte, auch Mischelektrolyte genannt, können auf Basis wässriger/organischer Lösungsmittel-Hybridelektrolyte oder durch Zugabe einer nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösung zu einem Festelektrolyten modifiziert werden, wobei die Herstellbarkeit und Skalierbarkeit von Festelektrolyten sowie die Anforderungen an die Stapeltechnologie zu berücksichtigen sind. Allerdings befinden sich solche Hybridelektrolyte noch im Forschungsstadium und es gibt keine kommerziellen Beispiele.

Überlegungen zur kommerziellen Entwicklung von Elektrolyten

Die größten Vorteile von Festelektrolyten sind die hohe Sicherheit und die lange Lebensdauer. Bei der Bewertung alternativer flüssiger oder fester Elektrolyte sollten jedoch die folgenden Punkte sorgfältig berücksichtigt werden:

• Herstellungsprozess und Systemdesign von Festelektrolyten. Laborbatterien bestehen typischerweise aus Festelektrolytpartikeln mit einer Dicke von mehreren hundert Mikrometern, die auf einer Seite der Elektroden beschichtet sind. Diese kleinen Feststoffzellen sind nicht repräsentativ für die Leistung, die für große Zellen (10 bis 100 Ah) erforderlich ist, da eine Kapazität von 10 bis 100 Ah die Mindestspezifikation ist, die für aktuelle Leistungsbatterien erforderlich ist.
• Fester Elektrolyt ersetzt auch die Rolle des Diaphragmas. Da sein Gewicht und seine Dicke wesentlich größer sind als bei der PP/PE-Membran, muss es angepasst werden, um die Gewichtsdichte zu erreichen≥350Wh/kgund Energiedichte≥900Wh/L, um seine Kommerzialisierung nicht zu behindern.

Die Batterie stellt immer bis zu einem gewissen Grad ein Sicherheitsrisiko dar. Feste Elektrolyte sind zwar sicherer als Flüssigkeiten, aber nicht unbedingt nicht brennbar. Einige Polymere und anorganische Elektrolyte können mit Sauerstoff oder Wasser reagieren und dabei Hitze und giftige Gase erzeugen, die auch eine Brand- und Explosionsgefahr darstellen. Neben einzelnen Zellen können auch Kunststoffe, Gehäuse und Verpackungsmaterialien zu einer unkontrollierten Verbrennung führen. Letztendlich ist also ein ganzheitlicher Sicherheitstest auf Systemebene erforderlich.