Fundo

Em 1800, o físico italiano A. Volta construiu a pilha voltaica, que abriu as bases para baterias práticas e descreveu pela primeira vez a importância do eletrólito em dispositivos eletroquímicos de armazenamento de energia. O eletrólito pode ser visto como uma camada eletronicamente isolante e condutora de íons na forma de líquido ou sólido, inserida entre os eletrodos negativo e positivo. Atualmente, o eletrólito mais avançado é produzido pela dissolução do sal sólido de lítio (por exemplo, LiPF6) em solvente de carbonato orgânico não aquoso (por exemplo, EC e DMC). De acordo com a forma e design geral da célula, o eletrólito normalmente representa 8% a 15% do peso da célula. O que'Além disso, sua inflamabilidade e faixa ideal de temperatura operacional de -10°C a 60°C dificultam grandemente a melhoria da densidade e segurança da energia da bateria. Portanto, formulações eletrolíticas inovadoras são consideradas o principal facilitador para o desenvolvimento da próxima geração de novas baterias.

Os pesquisadores também estão trabalhando para desenvolver diferentes sistemas eletrolíticos. Por exemplo, o uso de solventes fluorados que podem alcançar uma ciclagem eficiente do metal de lítio, eletrólitos sólidos orgânicos ou inorgânicos que são benéficos para a indústria automobilística e “baterias de estado sólido” (SSB). A principal razão é que se o eletrólito sólido substituir o eletrólito líquido original e o diafragma, a segurança, a densidade de energia única e a vida útil da bateria podem ser significativamente melhoradas. A seguir, resumimos principalmente o progresso da pesquisa de eletrólitos sólidos com diferentes materiais.

Eletrólitos sólidos inorgânicos

Eletrólitos sólidos inorgânicos têm sido usados ​​em dispositivos comerciais de armazenamento de energia eletroquímica, como algumas baterias recarregáveis ​​de alta temperatura Na-S, baterias Na-NiCl2 e baterias primárias Li-I2. Em 2019, a Hitachi Zosen (Japão) demonstrou uma bateria totalmente em estado sólido de 140 mAh para ser usada no espaço e testada na Estação Espacial Internacional (ISS). Esta bateria é composta por um eletrólito de sulfeto e outros componentes de bateria não divulgados, podendo operar entre -40°C e 100°C. Em 2021 a empresa está lançando uma bateria sólida de maior capacidade de 1.000 mAh. A Hitachi Zosen vê a necessidade de baterias sólidas para ambientes agressivos, como equipamentos espaciais e industriais operando em ambientes típicos. A empresa planeja dobrar a capacidade da bateria até 2025. Mas, até o momento, não existe nenhum produto de bateria totalmente em estado sólido disponível no mercado que possa ser usado em veículos elétricos.

Eletrólitos orgânicos semissólidos e sólidos

Na categoria de eletrólito sólido orgânico, a francesa Bolloré comercializou com sucesso um eletrólito PVDF-HFP do tipo gel e um eletrólito PEO do tipo gel. A empresa também lançou programas piloto de partilha de carros na América do Norte, Europa e Ásia para aplicar esta tecnologia de bateria a veículos eléctricos, mas esta bateria de polímero nunca foi amplamente adoptada em automóveis de passageiros. Um factor que contribui para a sua fraca adopção comercial é que só podem ser utilizados a temperaturas relativamente elevadas (50°C a 80°C) e faixas de baixa tensão. Estas baterias estão agora a ser utilizadas em veículos comerciais, como alguns autocarros urbanos. Não há casos de trabalho com baterias eletrolíticas de polímero sólido puro em temperatura ambiente (ou seja, em torno de 25°C).

A categoria semissólida inclui eletrólitos altamente viscosos, como misturas sal-solvente, a solução eletrolítica que possui concentração de sal superior ao padrão 1 mol/L, com concentrações ou pontos de saturação tão elevados quanto 4 mol/L. Uma preocupação com misturas concentradas de eletrólitos é o teor relativamente alto de sais fluorados, o que também levanta questões sobre o teor de lítio e o impacto ambiental de tais eletrólitos. Isto porque a comercialização de um produto maduro requer uma análise abrangente do ciclo de vida. E as matérias-primas para os eletrólitos semissólidos preparados também precisam ser simples e prontamente disponíveis para serem mais facilmente integradas em veículos elétricos.

Eletrólitos híbridos

Eletrólitos híbridos, também conhecidos como eletrólitos mistos, podem ser modificados com base em eletrólitos híbridos de solvente aquoso/orgânico ou adicionando uma solução eletrolítica líquida não aquosa a um eletrólito sólido, considerando a capacidade de fabricação e escalabilidade de eletrólitos sólidos e os requisitos para tecnologia de empilhamento. No entanto, tais eletrólitos híbridos ainda estão em fase de pesquisa e não existem exemplos comerciais.

Considerações para o desenvolvimento comercial de eletrólitos

As maiores vantagens dos eletrólitos sólidos são a alta segurança e o longo ciclo de vida, mas os seguintes pontos devem ser cuidadosamente considerados ao avaliar eletrólitos líquidos ou sólidos alternativos:

• Processo de fabricação e projeto de sistema de eletrólito sólido. As baterias de medição de laboratório normalmente consistem em partículas eletrolíticas sólidas com várias centenas de mícrons de espessura, revestidas em um lado dos eletrodos. Estas pequenas células sólidas não são representativas do desempenho necessário para células grandes (10 a 100Ah), já que a capacidade de 10~100Ah é a especificação mínima exigida para baterias de potência atual.
• O eletrólito sólido também substitui a função do diafragma. Como seu peso e espessura são maiores que o diafragma PP/PE, ele deve ser ajustado para atingir a densidade de peso≥350Wh/kge densidade de energia≥900Wh/L para evitar impedir a sua comercialização.

A bateria é sempre um risco à segurança até certo ponto. Os eletrólitos sólidos, embora sejam mais seguros que os líquidos, não são necessariamente não inflamáveis. Alguns polímeros e eletrólitos inorgânicos podem reagir com oxigênio ou água, produzindo calor e gases tóxicos que também representam risco de incêndio e explosão. Além de células individuais, plásticos, caixas e materiais de embalagem podem causar combustão incontrolável. Portanto, em última análise, é necessário um teste de segurança holístico em nível de sistema.