నేపథ్యం

1800లో, ఇటాలియన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త A. వోల్టా వోల్టాయిక్ పైల్‌ను నిర్మించాడు, ఇది ఆచరణాత్మక బ్యాటరీల ప్రారంభాన్ని తెరిచింది మరియు ఎలక్ట్రోకెమికల్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ పరికరాలలో ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క ప్రాముఖ్యతను మొదటిసారిగా వివరించింది. ఎలక్ట్రోలైట్‌ను ఎలక్ట్రానిక్ ఇన్సులేటింగ్ మరియు అయాన్-కండక్టింగ్ పొరగా ద్రవ లేదా ఘన రూపంలో చూడవచ్చు, ప్రతికూల మరియు సానుకూల ఎలక్ట్రోడ్‌ల మధ్య చొప్పించబడుతుంది. ప్రస్తుతం, అత్యంత అధునాతన ఎలక్ట్రోలైట్ ఘన లిథియం ఉప్పును (ఉదా. LiPF6) నాన్-సజల సేంద్రీయ కార్బోనేట్ ద్రావకంలో (ఉదా EC మరియు DMC) కరిగించడం ద్వారా తయారు చేయబడింది. సాధారణ సెల్ రూపం మరియు డిజైన్ ప్రకారం, ఎలక్ట్రోలైట్ సాధారణంగా సెల్ బరువులో 8% నుండి 15% వరకు ఉంటుంది. ఏమిటి'మరింత, దాని flammability మరియు -10 యొక్క సరైన ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత పరిధి°C నుండి 60°సి బ్యాటరీ శక్తి సాంద్రత మరియు భద్రత యొక్క మరింత మెరుగుదలని బాగా అడ్డుకుంటుంది. అందువల్ల, వినూత్న ఎలక్ట్రోలైట్ సూత్రీకరణలు తదుపరి తరం కొత్త బ్యాటరీల అభివృద్ధికి కీలకమైన ఎనేబుల్‌గా పరిగణించబడతాయి.

పరిశోధకులు వివిధ ఎలక్ట్రోలైట్ వ్యవస్థలను అభివృద్ధి చేయడానికి కూడా కృషి చేస్తున్నారు. ఉదాహరణకు, సమర్థవంతమైన లిథియం మెటల్ సైక్లింగ్, సేంద్రీయ లేదా అకర్బన ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌లను సాధించగల ఫ్లోరినేటెడ్ ద్రావకాల ఉపయోగం వాహన పరిశ్రమకు మరియు “సాలిడ్ స్టేట్ బ్యాటరీలు” (SSB). ప్రధాన కారణం ఏమిటంటే, ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ అసలు ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు డయాఫ్రాగమ్‌ను భర్తీ చేస్తే, బ్యాటరీ యొక్క భద్రత, ఒకే శక్తి సాంద్రత మరియు జీవితకాలం గణనీయంగా మెరుగుపడుతుంది. తరువాత, మేము ప్రధానంగా వివిధ పదార్థాలతో ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ల పరిశోధన పురోగతిని సంగ్రహిస్తాము.

అకర్బన ఘన ఎలక్ట్రోలైట్స్

కొన్ని అధిక-ఉష్ణోగ్రత పునర్వినియోగపరచదగిన బ్యాటరీలు Na-S, Na-NiCl2 బ్యాటరీలు మరియు ప్రాథమిక Li-I2 బ్యాటరీలు వంటి వాణిజ్య ఎలక్ట్రోకెమికల్ శక్తి నిల్వ పరికరాలలో అకర్బన ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌లు ఉపయోగించబడ్డాయి. తిరిగి 2019లో, హిటాచీ జోసెన్ (జపాన్) అంతరిక్షంలో ఉపయోగించేందుకు 140 mAh యొక్క ఆల్-సాలిడ్-స్టేట్ పర్సు బ్యాటరీని ప్రదర్శించింది మరియు అంతర్జాతీయ అంతరిక్ష కేంద్రం (ISS)లో పరీక్షించబడింది. ఈ బ్యాటరీ సల్ఫైడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు ఇతర బహిర్గతం కాని బ్యాటరీ భాగాలతో కూడి ఉంటుంది, ఇది -40 మధ్య పనిచేయగలదు°సి మరియు 100°C. 2021లో కంపెనీ 1,000 mAh అధిక సామర్థ్యం గల సాలిడ్ బ్యాటరీని పరిచయం చేస్తోంది. Hitachi Zosen ఒక సాధారణ వాతావరణంలో పనిచేసే స్థలం మరియు పారిశ్రామిక పరికరాలు వంటి కఠినమైన వాతావరణాల కోసం ఘన బ్యాటరీల అవసరాన్ని చూస్తుంది. 2025 నాటికి బ్యాటరీ సామర్థ్యాన్ని రెట్టింపు చేయాలని కంపెనీ యోచిస్తోంది. అయితే ఇప్పటివరకు, ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల్లో ఉపయోగించగల ఆఫ్-ది-షెల్ఫ్ ఆల్-సాలిడ్-స్టేట్ బ్యాటరీ ఉత్పత్తి లేదు.

సేంద్రీయ సెమీ-ఘన మరియు ఘన ఎలక్ట్రోలైట్లు

ఆర్గానిక్ సాలిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ విభాగంలో, ఫ్రాన్స్‌కు చెందిన బొల్లోరే జెల్-రకం PVDF-HFP ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు జెల్-రకం PEO ఎలక్ట్రోలైట్‌ను విజయవంతంగా వాణిజ్యీకరించింది. ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలకు ఈ బ్యాటరీ సాంకేతికతను వర్తింపజేయడానికి కంపెనీ ఉత్తర అమెరికా, యూరప్ మరియు ఆసియాలో కార్-షేరింగ్ పైలట్ ప్రోగ్రామ్‌లను కూడా ప్రారంభించింది, అయితే ఈ పాలీమర్ బ్యాటరీ ప్యాసింజర్ కార్లలో ఎప్పుడూ విస్తృతంగా స్వీకరించబడలేదు. వారి పేలవమైన వాణిజ్య స్వీకరణకు దోహదపడే ఒక అంశం ఏమిటంటే అవి సాపేక్షంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద మాత్రమే ఉపయోగించబడతాయి (50°C నుండి 80°సి) మరియు తక్కువ వోల్టేజ్ పరిధులు. ఈ బ్యాటరీలను ఇప్పుడు కొన్ని సిటీ బస్సులు వంటి వాణిజ్య వాహనాల్లో ఉపయోగిస్తున్నారు. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్వచ్ఛమైన ఘనమైన పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్ బ్యాటరీలతో పని చేసే సందర్భాలు లేవు (అంటే సుమారు 25°సి)

సెమీసోలిడ్ వర్గంలో ఉప్పు-ద్రావకం మిశ్రమాలు, 4 mol/L కంటే ఎక్కువ సాంద్రతలు లేదా సంతృప్త పాయింట్లతో, ప్రామాణిక 1 mol/L కంటే ఎక్కువ ఉప్పు సాంద్రత కలిగిన ఎలక్ట్రోలైట్ ద్రావణం వంటి అత్యంత జిగట ఎలక్ట్రోలైట్‌లు ఉంటాయి. సాంద్రీకృత విద్యుద్విశ్లేష్య మిశ్రమాలతో ఆందోళన కలిగించేది ఫ్లోరినేటెడ్ లవణాల యొక్క సాపేక్షంగా అధిక కంటెంట్, ఇది లిథియం కంటెంట్ మరియు అటువంటి ఎలక్ట్రోలైట్ల పర్యావరణ ప్రభావం గురించి కూడా ప్రశ్నలను లేవనెత్తుతుంది. ఎందుకంటే పరిపక్వ ఉత్పత్తి యొక్క వాణిజ్యీకరణకు సమగ్ర జీవిత చక్ర విశ్లేషణ అవసరం. మరియు సిద్ధం చేయబడిన సెమీ-సాలిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్‌ల కోసం ముడి పదార్థాలు కూడా ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల్లో మరింత సులభంగా విలీనం కావడానికి సరళంగా మరియు సులభంగా అందుబాటులో ఉండాలి.

హైబ్రిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్స్

మిశ్రమ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు అని కూడా పిలువబడే హైబ్రిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లను సజల/సేంద్రీయ ద్రావకం హైబ్రిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్‌ల ఆధారంగా లేదా ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌కు నాన్-జల ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ ద్రావణాన్ని జోడించడం ద్వారా సవరించవచ్చు, ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌ల తయారీ మరియు స్కేలబిలిటీ మరియు స్టాకింగ్ టెక్నాలజీ అవసరాలను పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది. అయినప్పటికీ, ఇటువంటి హైబ్రిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు ఇంకా పరిశోధన దశలోనే ఉన్నాయి మరియు వాణిజ్యపరమైన ఉదాహరణలు లేవు.

ఎలక్ట్రోలైట్స్ యొక్క వాణిజ్య అభివృద్ధి కోసం పరిగణనలు

ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌ల యొక్క గొప్ప ప్రయోజనాలు అధిక భద్రత మరియు సుదీర్ఘ చక్ర జీవితం, అయితే ప్రత్యామ్నాయ ద్రవ లేదా ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌లను మూల్యాంకనం చేసేటప్పుడు ఈ క్రింది అంశాలను జాగ్రత్తగా పరిగణించాలి:

• ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ తయారీ ప్రక్రియ మరియు సిస్టమ్ డిజైన్. లాబొరేటరీ గేజ్ బ్యాటరీలు సాధారణంగా అనేక వందల మైక్రాన్ల మందంతో ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ కణాలను కలిగి ఉంటాయి, ఎలక్ట్రోడ్‌ల యొక్క ఒక వైపున పూత ఉంటాయి. ఈ చిన్న ఘన కణాలు పెద్ద కణాలకు (10 నుండి 100Ah) అవసరమైన పనితీరుకు ప్రాతినిధ్యం వహించవు, ఎందుకంటే 10~100Ah సామర్థ్యం ప్రస్తుత పవర్ బ్యాటరీలకు అవసరమైన కనీస వివరణ.
• డయాఫ్రాగమ్ పాత్రను ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ కూడా భర్తీ చేస్తుంది. దాని బరువు మరియు మందం PP/PE డయాఫ్రాగమ్ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నందున, బరువు సాంద్రతను సాధించడానికి దానిని తప్పనిసరిగా సర్దుబాటు చేయాలి≥350Wh/kgమరియు శక్తి సాంద్రత≥900Wh/దాని వాణిజ్యీకరణకు ఆటంకం కలిగించకుండా ఉండటానికి ఎల్.

బ్యాటరీ ఎల్లప్పుడూ కొంత వరకు భద్రతకు ప్రమాదకరం. ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌లు, ద్రవపదార్థాల కంటే సురక్షితమైనవి అయినప్పటికీ, మండేవి కావు. కొన్ని పాలిమర్‌లు మరియు అకర్బన ఎలక్ట్రోలైట్‌లు ఆక్సిజన్ లేదా నీటితో చర్య జరిపి, వేడి మరియు విష వాయువులను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, ఇవి అగ్ని మరియు పేలుడు ప్రమాదాన్ని కూడా కలిగిస్తాయి. సింగిల్ సెల్స్‌తో పాటు, ప్లాస్టిక్‌లు, కేసులు మరియు ప్యాక్ పదార్థాలు అనియంత్రిత దహనానికి కారణమవుతాయి. కాబట్టి అంతిమంగా, సంపూర్ణ, సిస్టమ్-స్థాయి భద్రతా పరీక్ష అవసరం.