Fondo

En 1800, el físico italiano A. Volta construyó la pila voltaica, que abrió el comienzo de las baterías prácticas y describió por primera vez la importancia del electrolito en los dispositivos de almacenamiento de energía electroquímicos. El electrolito puede verse como una capa electrónicamente aislante y conductora de iones en forma líquida o sólida, insertada entre los electrodos negativo y positivo. Actualmente, el electrolito más avanzado se fabrica disolviendo la sal de litio sólida (por ejemplo, LiPF6) en un disolvente de carbonato orgánico no acuoso (por ejemplo, EC y DMC). Según la forma y el diseño general de la celda, el electrolito normalmente representa del 8 % al 15 % del peso de la celda. Qué'Además, su inflamabilidad y su rango óptimo de temperatura de funcionamiento de -10°C a 60°C dificulta en gran medida una mayor mejora de la densidad de energía y la seguridad de la batería. Por lo tanto, se considera que las formulaciones innovadoras de electrolitos son el factor clave para el desarrollo de la próxima generación de nuevas baterías.

Los investigadores también están trabajando para desarrollar diferentes sistemas de electrolitos. Por ejemplo, el uso de disolventes fluorados que pueden lograr un ciclo eficiente del litio metálico, electrolitos sólidos orgánicos o inorgánicos que benefician a la industria automovilística y las “baterías de estado sólido” (SSB). La razón principal es que si el electrolito sólido reemplaza el electrolito líquido y el diafragma originales, la seguridad, la densidad de energía única y la vida útil de la batería se pueden mejorar significativamente. A continuación, resumimos principalmente los avances de la investigación de electrolitos sólidos con diferentes materiales.

Electrolitos sólidos inorgánicos

Los electrolitos sólidos inorgánicos se han utilizado en dispositivos comerciales de almacenamiento de energía electroquímica, como algunas baterías recargables de alta temperatura Na-S, baterías Na-NiCl2 y baterías primarias Li-I2. En 2019, Hitachi Zosen (Japón) demostró una batería de bolsa de estado sólido de 140 mAh para usar en el espacio y probarla en la Estación Espacial Internacional (ISS). Esta batería está compuesta por un electrolito de sulfuro y otros componentes de la batería no revelados, pudiendo funcionar entre -40°C y 100°C. En 2021, la compañía presentará una batería sólida de mayor capacidad, 1000 mAh. Hitachi Zosen ve la necesidad de baterías sólidas para entornos hostiles, como equipos espaciales e industriales que funcionan en entornos típicos. La compañía planea duplicar la capacidad de la batería para 2025. Pero hasta ahora, no existe ningún producto de batería de estado sólido disponible en el mercado que pueda usarse en vehículos eléctricos.

Electrolitos orgánicos semisólidos y sólidos.

En la categoría de electrolitos sólidos orgánicos, la francesa Bolloré ha comercializado con éxito un electrolito de PVDF-HFP de tipo gel y un electrolito de PEO de tipo gel. La compañía también ha lanzado programas piloto de uso compartido de automóviles en América del Norte, Europa y Asia para aplicar esta tecnología de batería a vehículos eléctricos, pero esta batería de polímero nunca se ha adoptado ampliamente en los automóviles de pasajeros. Un factor que contribuye a su pobre adopción comercial es que sólo pueden usarse a temperaturas relativamente altas (50°C a 80°C) y rangos de baja tensión. Estas baterías se utilizan ahora en vehículos comerciales, como algunos autobuses urbanos. No se conocen casos de trabajo con baterías de electrolitos de polímero sólido puro a temperatura ambiente (es decir, alrededor de 25°DO).

La categoría de semisólidos incluye electrolitos altamente viscosos, como las mezclas de sal y solvente, la solución de electrolito que tiene una concentración de sal superior al estándar de 1 mol/L, con concentraciones o puntos de saturación de hasta 4 mol/L. Una preocupación con las mezclas de electrolitos concentrados es el contenido relativamente alto de sales fluoradas, lo que también plantea dudas sobre el contenido de litio y el impacto ambiental de dichos electrolitos. Esto se debe a que la comercialización de un producto maduro requiere de un análisis integral del ciclo de vida. Y las materias primas para los electrolitos semisólidos preparados también deben ser sencillas y estar fácilmente disponibles para poder integrarlas más fácilmente en los vehículos eléctricos.

Electrolitos híbridos

Los electrolitos híbridos, también conocidos como electrolitos mixtos, se pueden modificar basándose en electrolitos híbridos de solventes acuosos/orgánicos o agregando una solución de electrolito líquido no acuoso a un electrolito sólido, considerando la capacidad de fabricación y escalabilidad de los electrolitos sólidos y los requisitos de la tecnología de apilamiento. Sin embargo, estos electrolitos híbridos aún se encuentran en etapa de investigación y no existen ejemplos comerciales.

Consideraciones para el desarrollo comercial de electrolitos.

Las mayores ventajas de los electrolitos sólidos son la alta seguridad y el largo ciclo de vida, pero se deben considerar cuidadosamente los siguientes puntos al evaluar electrolitos líquidos o sólidos alternativos:

• Proceso de fabricación y diseño de sistemas de electrolito sólido. Las baterías de calibre de laboratorio suelen consistir en partículas de electrolito sólido con varios cientos de micrones de espesor, recubiertas en un lado de los electrodos. Estas pequeñas celdas sólidas no son representativas del rendimiento requerido para celdas grandes (de 10 a 100 Ah), ya que la capacidad de 10 ~ 100 Ah es la especificación mínima requerida para las baterías de energía actuales.
• El electrolito sólido también reemplaza la función del diafragma. Como su peso y grosor son mucho mayores que los del diafragma de PP/PE, se debe ajustar para lograr la densidad de peso.≥350Wh/kgy densidad de energía≥900Wh/L para evitar impedir su comercialización.

La batería siempre es un riesgo para la seguridad hasta cierto punto. Los electrolitos sólidos, aunque son más seguros que los líquidos, no son necesariamente no inflamables. Algunos polímeros y electrolitos inorgánicos pueden reaccionar con el oxígeno o el agua, produciendo calor y gases tóxicos que también suponen un riesgo de incendio y explosión. Además de las células individuales, los plásticos, las cajas y los materiales de embalaje pueden provocar una combustión incontrolable. Por lo tanto, en última instancia, se necesita una prueba de seguridad holística a nivel del sistema.