Bakgrunnur

Árið 1800 byggði ítalski eðlisfræðingurinn A. Volta rafhlöðuna sem opnaði upphaf hagnýtra rafhlaðna og lýsti í fyrsta skipti mikilvægi raflausnar í rafefnafræðilegum orkugeymslutækjum. Líta má á raflausnina sem rafrænt einangrandi og jónaleiðandi lag í formi vökva eða fasts efnis, sett á milli neikvæðu og jákvæðu rafskautanna. Eins og er, er fullkomnasta raflausnin framleidd með því að leysa upp litíumsaltið í föstu formi (td LiPF6) í óvatnskenndum lífrænum karbónatleysi (td EC og DMC). Samkvæmt almennu frumuformi og hönnun er raflausnin venjulega 8% til 15% af frumuþyngdinni. Hvað's meira, eldfimi þess og ákjósanlegur vinnsluhitastig á bilinu -10°C til 60°C hindrar mjög frekari endurbætur á orkuþéttleika og öryggi rafhlöðunnar. Þess vegna eru nýstárlegar raflausnarsamsetningar taldar vera lykilinn fyrir þróun næstu kynslóðar nýrra rafhlaðna.

Vísindamenn vinna einnig að því að þróa mismunandi saltakerfi. Til dæmis, notkun flúoraðra leysiefna sem geta náð skilvirkri litíummálmhringrás, lífrænum eða ólífrænum föstum raflausnum sem eru til hagsbóta fyrir bílaiðnaðinn og „solid state rafhlöður“ (SSB). Aðalástæðan er sú að ef raflausnin í föstu formi kemur í stað upprunalega fljótandi salta og þindar, er hægt að bæta öryggi, staka orkuþéttleika og endingu rafhlöðunnar verulega. Næst tökum við aðallega saman rannsóknarframfarir á föstu raflausnum með mismunandi efnum.

Ólífræn fast raflausn

Ólífræn raflausn í föstu formi hefur verið notuð í rafefnafræðilegum orkugeymslubúnaði í atvinnuskyni, svo sem sumar endurhlaðanlegar háhita rafhlöður Na-S, Na-NiCl2 rafhlöður og aðal Li-I2 rafhlöður. Árið 2019 sýndi Hitachi Zosen (Japan) 140 mAh rafhlöðu í föstu formi til notkunar í geimnum og prófuð í alþjóðlegu geimstöðinni (ISS). Þessi rafhlaða er samsett úr súlfíð raflausn og öðrum ótilgreindum rafhlöðuíhlutum, sem getur starfað á milli -40°C og 100°C. Árið 2021 kynnir fyrirtækið 1.000 mAh rafhlöðu með meiri getu. Hitachi Zosen sér þörfina á traustum rafhlöðum fyrir erfiðar aðstæður eins og pláss og iðnaðarbúnað sem starfar í dæmigerðu umhverfi. Fyrirtækið ætlar að tvöfalda rafhlöðuna fyrir árið 2025. En enn sem komið er er engin rafhlaðavara sem hægt er að nota í rafknúnum ökutækjum.

Lífræn hálfföst og föst raflausn

Í flokki lífrænna fastra raflausna hefur franska Bolloré tekist að markaðssetja gel-gerð PVDF-HFP raflausn og gel-gerð PEO raflausn. Fyrirtækið hefur einnig hleypt af stokkunum tilraunaáætlunum fyrir samnýtingu bíla í Norður-Ameríku, Evrópu og Asíu til að beita þessari rafhlöðutækni á rafbíla, en þessi fjölliða rafhlaða hefur aldrei verið almennt notuð í fólksbílum. Einn þáttur sem stuðlar að lélegri innleiðingu þeirra í atvinnuskyni er að þeir geta aðeins verið notaðir við tiltölulega hátt hitastig (50°C til 80°C) og lágspennusvið. Þessar rafhlöður eru nú notaðar í atvinnubíla, eins og sumar borgarrútur. Það eru engin tilvik um að vinna með rafhlöðum með hreinum, solid fjölliða raflausnum við stofuhita (þ.e. um 25°C).

Hálfföstu flokkurinn inniheldur mjög seigfljótandi salta, svo sem salt-leysisblöndur, saltalausnina sem hefur saltstyrk hærri en venjulegt 1 mól/L, með styrk eða mettunarpunkta allt að 4 mól/L. Áhyggjuefni við óblandaðar saltablöndur er tiltölulega hátt innihald flúoraðra salta, sem vekur einnig spurningar um litíuminnihald og umhverfisáhrif slíkra raflausna. Þetta er vegna þess að markaðssetning þroskaðrar vöru krefst alhliða lífsferilsgreiningar. Og hráefnin fyrir tilbúna hálfföstu raflausnina þurfa líka að vera einföld og aðgengileg til að vera auðveldari samþætt í rafknúin farartæki.

Hybrid raflausnir

Hybrid salta, einnig þekkt sem blönduð raflausn, er hægt að breyta á grundvelli vatnskenndra/lífrænna leysis blendinga raflausna eða með því að bæta óvatnskenndri fljótandi saltalausn við fast raflausn, með hliðsjón af framleiðni og sveigjanleika fastra raflausna og kröfur um stöflun tækni. Hins vegar eru slík blendingur raflausnir enn á rannsóknarstigi og engin viðskiptaleg dæmi eru til.

Hugleiðingar um þróun raflausna í atvinnuskyni

Stærstu kostir raflausna í föstu formi eru mikið öryggi og langur líftími, en íhuga skal eftirfarandi atriði vandlega þegar önnur vökvi eða föst raflausn eru metin:

• Framleiðsluferli og kerfishönnun á föstu raflausn. Rafhlöður fyrir rannsóknarstofumæli samanstanda venjulega af föstu raflausnaögnum með nokkur hundruð míkron þykkt, húðuð á annarri hlið rafskautanna. Þessar litlu solidu frumur eru ekki dæmigerðar fyrir frammistöðu sem krafist er fyrir stórar frumur (10 til 100Ah), þar sem afkastageta 10 ~ 100Ah er lágmarksforskriftin sem krafist er fyrir núverandi rafhlöður.
• Fast raflausn kemur einnig í staðinn fyrir hlutverk þindarinnar. Þar sem þyngd þess og þykkt er meiri en PP/PE þind, verður að stilla hana til að ná þyngdarþéttleika≥350Wh/kgog orkuþéttleika≥900Wh/L til að forðast að hindra markaðssetningu þess.

Rafhlaða er alltaf öryggisáhætta að einhverju leyti. Raflausnir í föstu formi, þó þeir séu öruggari en vökvar, eru ekki endilega eldfimir. Sumar fjölliður og ólífræn raflausn geta hvarfast við súrefni eða vatn og myndað hita og eitraðar lofttegundir sem einnig skapa eld- og sprengihættu. Auk stakra frumna geta plast, hulstur og pakkningar valdið óviðráðanlegum bruna. Svo að lokum er þörf á heildrænu öryggisprófi á kerfisstigi.