सॉलिड स्टेट बैटरी परिचय
एक बैटरी में, सकारात्मक आयन एक आयन कंडक्टर के माध्यम से नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच चलते हैं और विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को वितरित करते हैं। पारंपरिक बैटरी उदाहरण लिथियम-आयन बैटरी में, आयनिक कंडक्टर एक अत्यधिक दहनशील तरल कार्बनिक यौगिक है जो एक महत्वपूर्ण नुकसान है। विभिन्न अनुसंधान और विकास प्रक्रियाओं ने तरल कंडक्टरों को बदलने के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले ठोस कंडक्टर खोजने के लिए विभिन्न प्रकार के यौगिकों को संश्लेषित किया। शोधकर्ताओं ने एक सॉलिड-स्टेट आयन कंडक्टर की खोज की है जो पारंपरिक लिथियम-आयन कंडक्टर के प्रदर्शन को पार कर गया है। उदा: LGPS सल्फाइड सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट (LGPS: लिथियम, जर्मेनियम, फॉस्फोरस, सल्फर)
सॉलिड स्टेट बैटरी क्या है? यह प्रौद्योगिकी दृष्टिकोण है जिसमें अधिक सुरक्षा, उच्च ऊर्जा घनत्व और लागत-प्रभावशीलता के लिए उच्च क्षमता है। सॉलिड-स्टेट बैटरी उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों में बैटरी तकनीक का भविष्य हैं। कैथोड, एनोड, सेपरेटर और इलेक्ट्रोलाइट लिथियम-आयन बैटरी बनाते हैं। लिक्विड इलेक्ट्रोलाइट सॉल्यूशन का इस्तेमाल लिक्विड स्टेट बैटरी (लीथियम-आयन बैटरी) में किया जाता है, जो स्मार्टफोन, पावर टूल्स और इलेक्ट्रिक वाहनों में लगाया जाता है। दूसरी ओर, एक सॉलिड-स्टेट बैटरी, पारंपरिक बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले तरल इलेक्ट्रोलाइट के बजाय एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है।
बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट एक प्रवाहकीय रासायनिक मिश्रण है जो एनोड और कैथोड के बीच करंट को गुजरने देता है। विभाजक शॉर्ट सर्किट से बचते हैं। सॉलिड-स्टेट बैटरी एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट वाली इलेक्ट्रोकेमिकल सेल होती हैं, जो किसी भी अन्य बैटरी की तरह होती हैं। लेड-एसिड बैटरी के विपरीत इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट्स ठोस होते हैं।
व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ली-आयन बैटरी में एक विभाजक होता है जो एक तरल इलेक्ट्रोलाइट समाधान द्वारा अलग किए गए कैथोड और एनोड को रखता है। दूसरी ओर सॉलिड-स्टेट बैटरी, लिक्विड इलेक्ट्रोलाइट सॉल्यूशन के बजाय सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स का इस्तेमाल करती हैं और सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट भी सेपरेटर का काम करता है। सॉलिड स्टेट ईवी बैटरी की क्षमता बढ़ाने के लिए ये बैटरियां आवश्यक और अत्यधिक आवश्यक हैं। वे ज्वलनशील हैं, और विस्फोट की संभावना नगण्य है। सॉलिड-स्टेट बैटरी का एक उदाहरण लिथियम फॉस्फेट ग्लास है। इन बैटरियों में ऊर्जा घनत्व अधिक होता है।
सॉलिड-स्टेट बैटरी की ऊर्जा क्षमता लिक्विड इलेक्ट्रोलाइट सॉल्यूशन वाली ली-आयन बैटरी की तुलना में अधिक होती है। चूंकि विस्फोट या आग की कोई संभावना नहीं है, इसलिए सुरक्षा घटकों की कोई आवश्यकता नहीं है, जिससे अंतरिक्ष की बचत होती है। लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में बैटरी दोगुनी ऊर्जा में पैक कर सकती है जिसके परिणामस्वरूप उनकी शक्ति बढ़ जाती है। चूंकि केवल कुछ बैटरियों की आवश्यकता होती है, एक सॉलिड-स्टेट बैटरी प्रति यूनिट क्षेत्र में ऊर्जा घनत्व बढ़ा सकती है।
सॉलिड स्टेट बैटरी तकनीक
SSB मुख्य रूप से निम्नलिखित विशेषताओं पर ध्यान केंद्रित करता है:
उच्च ऊर्जा घनत्व:
- कम लागत: सस्ती सामग्री और लागत प्रभावी प्रक्रियाओं का उपयोग और उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण।
- उच्च सुरक्षा: ओवरचार्जिंग के प्रति सहिष्णुता, गहरे चार्ज के प्रति सहिष्णुता
- दुर्लभ सामग्री की कम निर्भरता: कम भूवैज्ञानिक निर्भरता, लिथियम, कोबाल्ट जैसी सामग्री के लिए प्रतिस्थापन।
- कम पर्यावरणीय प्रभाव: कोई जहरीली सामग्री नहीं, कोई भारी धातु नहीं, कोई खतरनाक रसायन नहीं, पर्यावरण के अनुकूल उत्पादन, निपटाने या रीसायकल करने में आसान सामग्री।
- अन्य: गहरी निर्वहन क्षमता, तेजी से चार्ज, या निर्वहन क्षमता।
सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट सॉलिड-स्टेट बैटरी में प्रमुख घटक है। सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के तीन मुख्य प्रकार हैं।
अकार्बनिक सामग्री: अकार्बनिक क्रिस्टलीय सामग्री, अकार्बनिक अनाकार सामग्री। चूंकि अकार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च लोचदार मोडुली, मजबूत थर्मल / रासायनिक स्थिरता, एक बड़ी विद्युत रासायनिक खिड़की, उच्च आयनिक चालकता और कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता होती है, इसलिए ये इलेक्ट्रोलाइट कठोर बैटरी डिज़ाइन के लिए बेहतर अनुकूल होते हैं जो कठोर वातावरण में काम कर सकते हैं।
ठोस बहुलक: उदा: पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड। यद्यपि बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स में अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में आयनिक चालकता कम होती है, वे विभिन्न प्रकार की ज्यामिति, उच्च लचीलापन प्रदान कर सकते हैं, और कम लागत और सरलीकृत उत्पादन प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। बैटरी कोशिकाओं को एकीकृत करते समय, ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट आसानी से एक प्रभावी इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट लिंक बना सकता है, जो बैटरी की विद्युत रासायनिक स्थिरता और चक्र जीवन को बढ़ा सकता है। पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी में एक तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया जाता है, और यह आमतौर पर इलेक्ट्रोड के साथ अच्छा संपर्क बनाता है।
इलेक्ट्रोड अपनी बनावट वाली सतहों के लिए स्पंज की तरह तरल को अवशोषित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक बड़ा संपर्क क्षेत्र होता है। सिद्धांत रूप में, दो ठोस को मूल रूप से नहीं जोड़ा जा सकता है। नतीजतन, इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिरोध अधिक है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट फॉस्फेट इलेक्ट्रोड के लिए एक स्थिर वाहक माध्यम के रूप में कार्य करता है, जो दोनों तरफ स्क्रीन प्रिंटेड होते हैं। नई सॉलिड-स्टेट बैटरी, पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी के विपरीत, पूरी तरह से जहरीले या खतरनाक पदार्थों से मुक्त है।
दोनों प्रकार की सामग्रियों का लाभ उठाने के लिए अकार्बनिक और बहुलक सामग्री को मिला दिया जाता है। ये इलेक्ट्रोलाइट्स उच्च आयनिक चालकता दिखाते हैं और अपेक्षाकृत लचीले होते हैं।
ठोस इलेक्ट्रोलाइट के यांत्रिक, विद्युत और रासायनिक गुणों के साथ-साथ एनोड और कैथोड इलेक्ट्रोड के साथ उनके इंटरफेस/इंटरफ़ेज़, सॉलिड-स्टेट बैटरी की दक्षता पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं।
सॉलिड-स्टेट बैटरियों में बुनियादी मुद्दे, तीन आवश्यक घटनाओं पर जोर देने के साथ:
(i) उन्नत आयनिक कंडक्टर के उत्पादन के सिद्धांत,
(ii) रासायनिक रूप से अस्थिर इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफेस पर संरचनात्मक प्रगति, और
(iii) इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट आर्किटेक्चर सहित सॉलिड-स्टेट बैटरियों के प्रसंस्करण के निहितार्थ। सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स (एसएसई) न केवल सुरक्षा मुद्दों को हल कर सकते हैं बल्कि मेटल एनोड और हाई-वोल्टेज ऑपरेशन के उपयोग की अनुमति भी दे सकते हैं।
सॉलिड-स्टेट बैटरी (SSB) अगली पीढ़ी की बैटरियों के लिए सबसे अच्छे समाधानों में से एक है क्योंकि सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स में बहुत अधिक तापीय स्थिरता होती है। इसके अलावा, अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स अत्यधिक तापमान में कार्य कर सकते हैं, जैसे कि 50 से 200 डिग्री सेल्सियस या इससे भी अधिक, जहां कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट ठंड, उबलने या अपघटन के कारण विफल हो जाते हैं।
ऑल-सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करते समय अपेक्षित इलेक्ट्रोकेमिकल आउटपुट प्राप्त करने के लिए, चार अनूठी विशेषताओं पर विचार किया जाता है। इन विशेषताओं में शामिल हैं:
(i) उच्च आयनिक चालकता (+Li .)> 104 एस/सेमी);
(ii) लिथियम डेन्ड्राइट प्रवेश को रोकने के लिए पर्याप्त यांत्रिक शक्ति और कुछ संरचनात्मक दोष;
(iii) कम लागत वाला कच्चा माल और आसान तैयारी प्रक्रिया; तथा
(iv) लिथियम-आयन प्रसार के लिए कम सक्रियण ऊर्जा।
सॉलिड स्टेट बैटरी फायदे
- सरल संरचना: ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स एनोड और कैथोड के संपर्क को रोकने वाले विभाजक के रूप में कार्य करते हैं जिसके परिणामस्वरूप उच्च ऊर्जा घनत्व होता है और विभाजक की लागत से बचा जाता है।
- उच्च वोल्टेज: ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का अपघटन उच्च होता है जो बदले में उच्च ऊर्जा घनत्व की ओर जाता है।
- गैर ज्वलनशील ठोस इलेक्ट्रोलाइट।
- इलेक्ट्रोलाइट ज्वाला मंदक है।
- तरल इलेक्ट्रोलाइट रिसाव का कोई खतरा नहीं।
- उच्च ऑपरेटिंग तापमान पर इस्तेमाल किया जा सकता है जिससे एक बड़ा ऑपरेटिंग तापमान रेंज होता है।
- एक पैकेज में सेल स्टैकिंग की संभावना।
- सरल सेल संरचना और सरल निर्माण लागत सॉलिड-स्टेट बैटरी को लागत प्रभावी बनाती है।
- सॉलिड-स्टेट बैटरी लिक्विड स्टेट बैटरी की तुलना में 6 गुना तेज चार्ज होती है।
- सॉलिड-स्टेट बैटरी की लाइफ 10 साल तक चल सकती है।
सॉलिड स्टेट बैटरी के नुकसान
- लागत के अलावा, ठोस राज्य बैटरी के साथ डेंड्राइट सबसे गंभीर समस्या है। डेन्ड्राइट एक लिथियम धातु क्रिस्टलीकरण है जो एनोड से शुरू होता है और बैटरी में फैल सकता है। यह तब होता है जब ठोस इलेक्ट्रोलाइट में आयन इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़कर ठोस लिथियम धातु की एक शीट बनाते हैं क्योंकि उच्च वर्तमान चार्जिंग और डिस्चार्जिंग होती है।
- उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों में इन बैटरियों का व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है क्योंकि ये बहुत महंगी होती हैं। सॉलिड स्टेट बैटरियां निम्न कारणों से धीमी गतिज का प्रदर्शन करती हैं:
- कम आयनिक चालकता
- उच्च इंटरफेसियल प्रतिरोध
- खराब इंटरफेस संपर्क
सॉलिड स्टेट बैटरी कैसे काम करती है?
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, सॉलिड-स्टेट बैटरी ठोस सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली का उपयोग करती है। चार्ज या डिस्चार्ज के दौरान, आयन एक सॉल्यूशन में घुलने वाले आयनिक सॉल्ट के बजाय एक आयन-कंडक्टिव सॉलिड मैट्रिक्स में चले जाते हैं, जिससे चार्ज या डिस्चार्ज रिएक्शन होता है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं का उपयोग सॉलिड-स्टेट बैटरी में ऊर्जा को स्टोर और वितरित करने के लिए किया जाता है। एनोड ऑक्सीकरण से गुजरता है, जबकि कैथोड में कमी आती है, और बैटरी इस घटना का उपयोग आवश्यकतानुसार ऊर्जा को स्टोर (चार्ज) और रिलीज (डिस्चार्ज) करने के लिए कर सकती है।
ऊर्जा का निर्वहन करते समय, आयन ‘रेडॉक्स’ नामक बैटरी की सामग्री के बीच एक रासायनिक प्रतिक्रिया का कारण बनते हैं, जिसमें मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ यौगिक बनाने के लिए एनोड पर ऑक्सीकरण होता है, जो विद्युत ऊर्जा की आपूर्ति करता है, और कैथोड में कमी होती है जो इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने वाले यौगिकों को बनाने के लिए होती है और इसलिए सत्ता बचाओ। बैटरी चार्ज होने पर तंत्र उलट जाता है। सॉलिड-स्टेट बैटरी (कैथोड) का निर्वहन करते समय सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) से सकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) तक इलेक्ट्रोलाइट से गुजरते हैं। यह कैथोड में एक सकारात्मक चार्ज विकसित करने का कारण बनता है और एनोड से इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करता है।
हालाँकि, चूंकि इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रोलाइट से नहीं गुजर सकते हैं, इसलिए उन्हें एक सर्किट के माध्यम से यात्रा करनी चाहिए, जो इससे जुड़ी हुई है, जैसे कि इलेक्ट्रिक मोटर। चार्ज करने की प्रक्रिया में, आयन एक सर्किट के माध्यम से कैथोड से इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करने वाले चार्ज को जमा करते हुए, एनोड में चले जाते हैं। बैटरी को पूरी तरह से चार्ज माना जाता है जब कोई और आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड में प्रवाहित नहीं हो सकता है। सॉलिड-स्टेट बैटरियों को साइकिल चलाने के दौरान उच्च चालकता बनाए रखने के लिए अपनी परतों के भीतर विभिन्न एडिटिव्स और बाइंडर्स की आवश्यकता होती है। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग अवधि के दौरान संपर्क बनाए रखने के लिए सामग्री को भी दबाव में रखा जाना चाहिए। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग साइकल के दौरान सामग्री का सामान्य विस्तार और संकुचन एक दृढ़ स्पर्श बनाए रखने की कठिनाइयों को बढ़ाता है।
यदि विस्तार और संकुचन समय के साथ बंधन को कमजोर करते हैं, तो कोशिका के चक्र जीवन और उत्पादन को नुकसान हो सकता है। ली-आयन बैटरी की तुलना में सॉलिड-स्टेट बैटरियां पैक स्तर को भी सरल बनाती हैं, जहां अलग-अलग सेल जुड़े होते हैं। सॉलिड-स्टेट बैटरियों को थर्मल कंट्रोल के रास्ते में ज्यादा जरूरत नहीं होती है क्योंकि तापमान बढ़ने पर उनकी दक्षता में सुधार होता है।
तापमान बढ़ने पर समग्र आवेश और निर्वहन दर, साथ ही ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की आयनिक चालकता में वृद्धि होती है। नतीजतन, एक सॉलिड-स्टेट सेल का अंतिम ऑपरेटिंग तापमान केवल लिथियम के गलनांक से बाधित होता है, जो कि 180 ° C है। इसके अलावा, एक ज्वलनशील ली-आयन तरल इलेक्ट्रोलाइट की अनुपस्थिति विनाशकारी सेल या पैक विफलता के बारे में डिजाइन चिंताओं को समाप्त करती है। लिथियम धातु-आधारित सॉलिड-स्टेट बैटरी का उपयोग ली-आयन बैटरी विकल्प के रूप में किया जाना चाहिए क्योंकि विशिष्ट ली-आयन बैटरी में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट एनोड में लिथियम (0.20 वी) की तुलना में कम क्षमता होती है, जो समकक्ष वोल्टेज और प्रदर्शन के साथ अधिक वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व प्रदान करती है। .
क्या सॉलिड स्टेट बैटरी उपलब्ध हैं?
पेसमेकर, आरएफआईडी और पोर्टेबल डिवाइस सॉलिड-स्टेट बैटरी का उपयोग करते हैं। इनमें से कुछ बैटरियों का उपयोग अंतरिक्ष अनुप्रयोगों में किया जा रहा है। EV/HEV ऑटोमोबाइल बाजार में सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए व्यावसायीकरण दृष्टिकोण। सॉलिड-स्टेट बैटरी लाना केवल एक उपयुक्त सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट विकसित करने के बारे में नहीं है, बल्कि इस तरह की विशेषताओं पर विचार करना है:
- सामग्री की आपूर्ति और बिक्री को सुरक्षित करना।
- सेल और पैक निर्माण उपकरण और विकास।
वर्षों के विकास के बावजूद, कई खिलाड़ी सॉलिड-स्टेट बैटरी को बाजार में लाने में सफल नहीं हुए हैं। कमरे के तापमान पर, आयनिक इलेक्ट्रोलाइट्स आमतौर पर तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में कम परिमाण के कई क्रम होते हैं। यह सॉलिड-स्टेट बैटरियों के व्यावसायीकरण के लिए मुख्य बाधाओं में से एक है। जबकि सॉलिड-स्टेट बैटरी की अवधारणा दशकों से है, अब केवल प्रगति हो रही है, इलेक्ट्रॉनिक्स फर्मों, कार निर्माताओं और सामान्य औद्योगिक प्रदाताओं के निवेश के लिए धन्यवाद।
सॉलिड-स्टेट बैटरी बेहतर क्यों हैं?
सॉलिड-स्टेट बैटरियां अपने लिक्विड-भरे समकक्षों की तुलना में कई लाभ प्रदान करती हैं, जिसमें लंबी बैटरी लाइफ, तेज चार्जिंग समय और एक आसान अनुभव शामिल है। एक तरल इलेक्ट्रोलाइट में इलेक्ट्रोड को निलंबित करने के बजाय, सॉलिड-स्टेट बैटरी एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट को तीन फ्लैट परतों में संपीड़ित करती है। नतीजतन, उन्हें छोटा बनाया जा सकता है – या कम से कम अभी भी उतनी ही मात्रा में ऊर्जा ले जा सकता है जितनी बड़ी सॉल्वेंट बैटरी।
इसलिए, जब किसी फ़ोन या लैपटॉप में समान क्षमता की सॉलिड-स्टेट बैटरी वाली लिथियम-आयन या लिथियम-पॉलीमर बैटरी होती है, तो यह अधिक समय तक चलेगी। एक प्रणाली बनाई जाती है जो समान मात्रा में चार्ज करती है लेकिन बहुत छोटी और पतली होती है। सॉलिड स्टेट बैटरियां, जब वर्तमान उपकरणों या यहां तक कि इलेक्ट्रिक वाहनों को बिजली देने के लिए उपयोग की जाती हैं, तो बैटरी बहुत तेजी से रिचार्ज हो सकती हैं क्योंकि आयन कैथोड से एनोड तक बहुत तेजी से यात्रा कर सकते हैं। एक सॉलिड-स्टेट बैटरी 500 प्रतिशत या उससे अधिक क्षमता के मामले में विभिन्न रिचार्जेबल बैटरी प्रदर्शित कर सकती है और दसवें समय में चार्ज कर सकती है। सॉलिड-स्टेट बैटरी पर्यावरण के लिए कम हानिकारक हैं।
सॉलिड-स्टेट थिन-फिल्म बैटरियां पारंपरिक बैटरियों की तुलना में कम पर्यावरणीय रूप से खतरनाक होती हैं। चूंकि सॉलिड-स्टेट बैटरियों में उच्च प्रदर्शन और ऊर्जा घनत्व होता है, इसलिए उन्हें शीतलन और नियंत्रण घटकों की आवश्यकता नहीं होती है जो लिथियम-आयन बैटरी करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक छोटा समग्र आकार, अधिक डिवाइस स्वतंत्रता और कम वजन होता है।
चूंकि सॉलिड-स्टेट बैटरियां तरल इलेक्ट्रोलाइट में रसायनों के कारण इलेक्ट्रोड जंग के लिए प्रतिरोधी होती हैं या इलेक्ट्रोलाइट में ठोस परतों का निर्माण होता है जो बैटरी जीवन को छोटा करता है, सॉलिड-स्टेट बैटरी लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में अधिक डिस्चार्ज और चार्ज साइकिल को संभाल सकती है। सॉलिड-स्टेट बैटरियों को लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में सात गुना अधिक तक रिचार्ज किया जा सकता है, जिससे उन्हें कुछ वर्षों के बजाय दस साल की अनुमति मिलती है, जो कि लिथियम-आयन बैटरी चलने के लिए होती हैं। शैक्षिक संस्थान, बैटरी निर्माता और सामग्री विशेषज्ञ सभी ठोस-राज्य बैटरियों की जांच कर रहे हैं जिन्हें व्यापक उपयोग के लिए अगली पीढ़ी के बिजली स्रोतों में बदला जा सकता है।
क्या सॉलिड स्टेट बैटरी तेजी से चार्ज होती है?
कुछ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की आयनिक चालकता 5 mS/cm से अधिक होती है और ये एकल-आयन चालक होते हैं। उच्च धारा पर, यह ध्रुवीकरण प्रतिरोध को ठोस इलेक्ट्रोलाइट में बनने से रोकता है। नतीजतन, फास्ट चार्जिंग संभावित रूप से संभव है। सॉलिड-स्टेट बैटरी लिथियम-आयन बैटरी में ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट को बदलने के लिए एक ठोस सामग्री, आमतौर पर एक बहुलक या सिरेमिक यौगिक का उपयोग करती है। लिथियम-मेटल एनोड को पारंपरिक ग्रेफाइट या सिलिकॉन एनोड के विकल्प के रूप में पेश किया गया है। सॉलिड-स्टेट लिथियम-मेटल बैटरी विकसित करने के इस प्रयास में चार्जिंग समय को काफी कम करते हुए ऊर्जा घनत्व को दोगुना करने की क्षमता है।
सॉलिड स्टेट बैटरी कैसे बनती है?
सॉलिड स्टेट बैटरी में, केवल दो मुख्य परतें होती हैं, कैथोड एक पॉजिटिव इलेक्ट्रोड होता है जिसमें सॉलिड-स्टेट सिरेमिक सेपरेटर के साथ विद्युत संपर्क होता है, जो पॉलीमर सेपरेटर की जगह लेता है, जो पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी में पाए जाने वाले झरझरा पॉलीमर सेपरेटर को बदल देता है। ऑल-सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स सुपरियोनिक कंडक्टर और अनुकूलित इंटरफेस पर निर्भर करते हैं।
एक अच्छा सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट विकसित करने की चुनौती इंटरफेस, ट्रिपल-फेज सीमाओं को पार करना है जहां सकारात्मक इलेक्ट्रोड, आयनों और इलेक्ट्रॉनों को एक साथ ले जाना पड़ता है, जिसके लिए एक बहुत ही आंतरायिक चरण की आवश्यकता होती है। इंटरफेस पर एक साथ इलेक्ट्रॉन और आयन परिवहन प्राप्त करना और इंटरफेस का नियंत्रण एक चुनौती है।
सकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट के साथ रासायनिक स्थिरता के मुद्दे और कार्बन की उपस्थिति में इलेक्ट्रोलाइट की ऑक्सीडेटिव स्थिरता और धातु आयन डेन्ड्राइट के मुद्दों को संरक्षित इंटरफेस के समावेश की आवश्यकता होती है। परिमाण के क्रम में ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में कम आयन चालकता होती है। इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफेस में प्रतिरोध का अनुकूलन करना भी आवश्यक है।
बैटरियों के लिए एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के लिए चुनौतियाँ:
उच्च सक्रिय द्रव्यमान के साथ मोटे मिश्रित सकारात्मक इलेक्ट्रोड: ठोस-राज्य इलेक्ट्रोलाइट्स की उच्च आयनिक चालकता। ऑक्साइड के साथ स्थिर इंटरफ़ेस और इलेक्ट्रॉनिक रूप से संवाहक एडिटिव्स के साथ कम रेडॉक्स गतिविधि।
पतली कम द्रव्यमान वाली ठोस इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली में अच्छे यांत्रिक गुण, लचीलापन और गतिशील दबाव नियंत्रण होना चाहिए।
सभी एसएसबी इलेक्ट्रोलाइट्स एनोड और कैथोड के बीच उच्च आयनिक चालकता और उत्कृष्ट स्थिरता का एक अभूतपूर्व संयोजन प्रदान करते हैं। एनोड की संगतता इसमें महत्वपूर्ण है क्योंकि यह अन्य पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी पर सेल स्तर पर प्राथमिक लाभ प्रदान करती है।
तीन प्रमुख ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स हैं:
पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट : पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट का लाभ सेल प्रक्रियात्मकता है। कमियां धातु के खिलाफ अपेक्षाकृत खराब स्थिरता और विशेष रूप से कम तापमान पर अपेक्षाकृत खराब चालकता हैं।
कम आयनिक चालकता = आयनों का कम परिवहन = कम शक्ति।
ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट: उनके पास आदर्श यांत्रिक गुण होते हैं, बहुत कठोर होते हैं, और धातु एनोड के खिलाफ रासायनिक रूप से स्थिर होते हैं। प्रमुख कमियों में निम्न-श्रेणी की क्षमताएं शामिल हैं, क्योंकि उन्हें ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके कितनी जल्दी कुंठित किया जा सकता है और प्रक्रिया के लिए चुनौतीपूर्ण है क्योंकि उन्हें बहुत अधिक तापमान की आवश्यकता होती है। उनके पास उच्च तापीय स्थिरता, नगण्य सेल प्रक्रियात्मकता, नमी के प्रति संवेदनशील, और चालकता के मामले में मध्यम हैं। ऑक्साइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स सामान्य रूप से रासायनिक रूप से स्थिर होते हैं और उच्च-ऊर्जा कैथोड सामग्री के साथ उपयोग किए जा सकते हैं।
हालाँकि, आयन चालकता सल्फाइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में कम है।
एक पेरोव्स्काइट के साथ सामग्री (एलएलटीओ: लिथियम लैंथेनम टाइटेनियम ऑक्साइड)
गार्नेट संरचना (एलएलजेडओ, लिथियम लैंथेनम ज़िरकोनियम ऑक्साइड), साथ ही नासिकोन (एलएजीपी: लिथियम एल्युमिनियम जर्मेनियम फॉस्फेट), ऑक्साइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच प्रभावशाली हैं।
सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट: उनके पास उस बहुलक और ऑक्साइड के बीच यांत्रिक गुण होते हैं। वे किसी भी इलेक्ट्रोलाइट वर्ग के अधिक प्रवाहकीय होते हैं। सभी रिकॉर्ड तोड़ने वाले इलेक्ट्रोलाइट्स सल्फाइड श्रेणी की सामग्री से आते हैं। उनके पास उच्च चालकता, उच्च सेल प्रक्रियात्मकता और उच्च तापीय क्षमता है लेकिन नमी के प्रति संवेदनशील हैं। आयनिक चालकता आमतौर पर सल्फाइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स में अधिक होती है, लेकिन वे रासायनिक रूप से अधिक अस्थिर होती हैं।
कमरे के तापमान पर, अनाकार लिथियम टिन फॉस्फोरस सल्फाइड (एलएसपीएस) में बहुत अधिक आयन चालकता होती है। दूसरी ओर, लिथियम धातु के साथ असंगति चिंता का विषय है।
एक सामग्री जो इलेक्ट्रोलाइट्स को निर्धारित करती है उसे एडिटिव के रूप में जाना जाता है। एडिटिव सामग्री की एक छोटी मात्रा है जो कैथोड और एनोड सतहों पर एक सुरक्षात्मक कोटिंग बनाती है। यह कैथोड और एनोड के बीच लिथियम आयनों के सुगम मार्ग को सुगम बनाकर बैटरी के क्षरण को रोकता है। मैं
कैथोड और एनोड एडिटिव दो प्रकार के एडिटिव्स हैं। कैथोड एडिटिव्स कैथोड संरचना को स्थिर करके और सतह की रक्षा करके, ओवरहीटिंग और ओवरचार्जिंग को समाप्त करके बैटरी की उम्र बढ़ने को रोकते हैं। एनोड एडिटिव्स सॉल्वेंट की तुलना में तेजी से घुलते हैं, एनोड में एक मजबूत फिल्म बनाते हैं जो इसके जीवन को बढ़ाता है, ओवरहीटिंग को रोकता है और बैटरी को चार्ज रखता है। एडिटिव्स अपने जीवनकाल का विस्तार करके, उच्च तापमान की समस्याओं में सुधार करके और प्रतिरोध को कम करके समग्र प्रणाली में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। मैं
एक विभाजक एक पतली इन्सुलेटिंग झिल्ली है जिसमें लगभग चार विशेषताएं होती हैं जो कैथोड और एनोड को अलग रखती हैं। दूसरा, जैसा कि नाम से पता चलता है, विभाजक कैथोड और एनोड को बैटरी के भीतर संपर्क बनाने से बचाते हैं।
दूसरा, विभाजकों में सबमाइक्रोन-आकार के छिद्र होते हैं जो नग्न आंखों के लिए अदृश्य होते हैं, और छिद्र कैथोड और एनोड के बीच से गुजरने के लिए लिथियम आयनों के लिए चैनल के रूप में कार्य करते हैं। चूंकि विभाजकों में अच्छी यांत्रिक स्थिरता होती है, इसलिए तन्यता संपत्ति उप-उत्पादों और विदेशी पदार्थों को बाहर रखती है, सुरक्षा सुनिश्चित करती है। विद्युत रासायनिक रूप से स्थिर और उच्च-इन्सुलेशन सामग्री का उपयोग विभाजक के रूप में किया जा सकता है। सेपरेटर्स को कैथोड और एनोड इंटरेक्शन से बचना चाहिए, और अगर वे बैटरी के भीतर लिथियम आयनों या अन्य आयनों में हस्तक्षेप करते हैं तो यह प्रमुख मुद्दों की ओर जाता है। यदि बैटरी का तापमान एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है तो विभाजक छिद्रों को बंद करके और आयनों की गति को रोककर सुरक्षा सुनिश्चित करने में सक्षम होना चाहिए।
अंत में, SSB विभाजकों को इतना छोटा होना चाहिए कि अधिक सक्रिय सामग्रियों को बैटरी में शामिल करने की अनुमति दी जा सके, जिससे ऊर्जा घनत्व बढ़ सके। क्षति से बचने और सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, उनके पास उच्च यांत्रिक शक्ति भी होनी चाहिए।
ठोस इलेक्ट्रोलाइट आवश्यकताएं
सॉलिड-स्टेट बैटरियों के व्यावसायीकरण के लिए गुणों के विशिष्ट संयोजन के साथ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की आवश्यकता होगी। एक उपयुक्त तरल इलेक्ट्रोलाइट विकल्प होने के लिए, ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम आयनिक चालकता 0.1 mS/cm से अधिक होनी चाहिए। या तो इलेक्ट्रोलाइट लिथियम कमी के लिए रासायनिक रूप से स्थिर होना चाहिए, या एक निष्क्रिय प्रतिक्रिया परत का गठन किया जाना चाहिए। आंतरिक सेल प्रतिरोध को कम रखने के लिए, इलेक्ट्रोलाइट को कम-प्रतिरोध इंटरफेस बनाने की आवश्यकता होती है।
क्षार धातु इंटरफेस में, जहां वातावरण-प्रतिक्रिया वाली सब्सट्रेट परतें, कम ऑक्साइड, और अमानवीय गीलापन सभी पर्याप्त इंटरफ़ेस प्रतिरोध का कारण बन सकते हैं, कम-प्रतिरोध इंटरफेस बनाने से जटिलता बढ़ जाती है।, प्रसार से बचने के लिए इलेक्ट्रोलाइट में पर्याप्त ताकत और फ्रैक्चर क्रूरता होनी चाहिए। इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से लिथियम फिलामेंट्स। एनोड और कैथोड विभव दोनों पर, इलेक्ट्रोलाइट स्थिर होना चाहिए।
ठोस इलेक्ट्रोलाइट रूप
चूंकि बहुलक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में कम आयनिक चालकता होती है, इसलिए उच्च आयनिक परिवहन का लाभ प्राप्त करने के लिए उनका उपयोग आमतौर पर उच्च तापमान (60 डिग्री सेल्सियस -80 डिग्री सेल्सियस) पर किया जाता है। हालांकि पॉलिमर के साथ काम करना आसान है, उनके यांत्रिक गुण लिथियम धातु एनोड को स्थिर रखने के लिए अपर्याप्त हैं।
नतीजतन, अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को सबसे अधिक मान्यता मिली है। ठोस सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता सभी ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में सबसे मजबूत है।
हालांकि कई रसायन शास्त्र हैं, Li2 S-P2 S5 प्रणाली का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। Li2 S-P2 S5 ढांचे में, इलेक्ट्रोलाइट्स ग्लासी, क्रिस्टलीय या आंशिक रूप से क्रिस्टलीय हो सकते हैं। Li2 S-P2 S5 इलेक्ट्रोलाइट्स जो डोप नहीं किए गए हैं उनमें लिथियम के साथ कम इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता है, जबकि डोप किए गए संस्करणों में स्थिरता में सुधार हुआ है। कमरे के तापमान पर या 400 डिग्री सेल्सियस से नीचे, सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स की नमनीय प्रकृति उन्हें कणों के बीच अच्छे इलेक्ट्रोकेमिकल ब्रिजिंग के साथ कॉम्पैक्ट में संपीड़ित करने की अनुमति देती है। नतीजतन, सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स संसाधित करने के लिए सबसे आसान अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स हैं।
हालांकि, हवा में जल वाष्प के साथ प्रतिक्रियाशीलता कुछ सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट रचनाओं के साथ एक समस्या हो सकती है, एच 2 एस जारी करना और इलेक्ट्रोलाइट को नीचा दिखाना। नतीजतन, वे आम तौर पर आर्गन या कम आर्द्रता वाले शुष्क कमरे के वातावरण में संसाधित होते हैं।
ऑक्साइड-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट एक अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का दूसरा रूप है। कुछ अलग रूप हैं, लेकिन गार्नेट Li7 La3 Zr2 O12 सबसे आम है। कमरे के तापमान पर, ठोस ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स में मजबूत आयनिक चालकता, व्यापक विद्युत रासायनिक सीमा और लिथियम के खिलाफ अधिकतम रासायनिक स्थिरता होती है। इसके अलावा, ऑक्साइड सामग्री में किसी भी ठोस इलेक्ट्रोलाइट की उच्चतम लोचदार मोडुली और फ्रैक्चर बेरहमी होती है, जो उन्हें लिथियम धातु एनोड और दीर्घकालिक सेल जीवनकाल की भौतिक स्थिरता के लिए आदर्श बनाती है। इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का सबसे अच्छा मिश्रण होने के बावजूद, उच्च आयनिक चालकता वाले घने इलेक्ट्रोलाइट्स को 1,000 डिग्री सेल्सियस – 1,300 डिग्री सेल्सियस के सिंटरिंग तापमान की आवश्यकता होती है।
ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में डेंड्राइट या लिथियम फिलामेंट के विकास का प्रतिरोध इलेक्ट्रोलाइट क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र द्वारा विभाजित वर्तमान घनत्व या कुल सेल करंट से जुड़ा होता है। नतीजतन, सेल एक महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व (सीसीडी) पर विफल हो सकता है जब लिथियम धातु सेल में प्रवेश करती है। इस महत्वपूर्ण मूल्य के तहत वर्तमान घनत्व पर स्थिर चार्जिंग संभव है। एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के दोनों ओर लिथियम इलेक्ट्रोड के साथ असममित कोशिकाओं में लिथियम की लगातार वर्तमान चढ़ाना एक मानक सीसीडी परीक्षा है।
एलजीपीएस सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट की तैयारी में, न्यूट्रॉन बीम के साथ सामग्री की संरचना का विश्लेषण किया गया था। शोधकर्ता ठोस कंडक्टर की आणविक संरचना के अंदर आयनों की रैखिक गति का निरीक्षण करने में सक्षम थे। इसकी 3डी संरचना के भीतर एक सुरंग देखी जाती है। इस टनल में लीथियम आयनों की गति देखी गई। इस संकेत के साथ, शोधकर्ता सामग्री की आयनिक चालकता और स्थिरता में सुधार करने में सक्षम थे, एलजीपीएस में थोड़ी मात्रा में क्लोरीन जोड़कर दो नई सामग्री विकसित कर रहे थे। इन सामग्रियों ने दुनिया के उच्चतम आयनिक कंडक्टर प्रदर्शन का प्रदर्शन किया।
इन सामग्रियों का विश्लेषण एक सामग्री डिजाइन डिफ्रेक्टोमीटर के साथ किया गया था। परिणामों ने एक अभिनव संरचना दिखाई जिसने आयनों को केवल एक के बजाय तीन आयामों में स्थानांतरित करने की अनुमति दी। इसने सामग्री के उच्चतम प्रदर्शन को संभव बनाया। विकसित की गई नई पीढ़ी की कोशिकाओं की एक विस्तृत श्रृंखला के बीच, ये सामग्रियां सभी एसएसबी में उपयोग के लिए मजबूत इलेक्ट्रोलाइट्स बन गईं।
लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में इन एसएसबी में थोड़ा अधिक ऊर्जा घनत्व और उच्च बिजली उत्पादन होता है। इस प्रकार, सभी एसएसबी की खूबियों को कॉम्पैक्ट, उच्च क्षमता वाली बैटरी के लिए डिज़ाइन किया गया है जिसे कम अवधि में रिचार्ज किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के समर्पित अनुसंधान और परमाणु विश्लेषण स्तर के उत्पाद के रूप में, ये सभी नए एसएसबी बैटरी की एक नई पीढ़ी को जन्म दे सकते हैं।
लिथियम आयन सॉलिड-स्टेट बैटरी में, बैटरी चार्ज होने पर, लिथियम नॉनपोरस सॉलिड-स्टेट सिरेमिक सेपरेटर के परमाणु जाली के माध्यम से यात्रा छोड़ देता है। एक बार जब लिथियम वास्तव में अलग हो जाता है तो यह विभाजक और विद्युत संपर्क के बीच शुद्ध धातु लिथियम का एनोड बनाता है। लिथियम धातु एनोड के लिए पारंपरिक लिथियम आयन बैटरी की तुलना में एक उच्च ऊर्जा घनत्व को सक्षम करने के लिए एक ठोस-राज्य बैटरी की ऊर्जा को एक छोटी ऊर्जा मात्रा में संग्रहीत करने की अनुमति देता है। सॉलिड-स्टेट लिथियम मेटल बैटरियां पन्द्रह मिनट के फास्ट चार्ज के उच्च ऊर्जा घनत्व से अधिक रेंज की अनुमति देती हैं और ऑर्गेनिक पॉलीमर सेपरेटर को हटाकर सुरक्षित संचालन करती हैं।
उच्च ऊर्जा लिथियम आयन बैटरी:
- उच्च ऊर्जा सामग्री का उपयोग
- निकल-समृद्ध एनएमसी या एनसीए कैथोड, जब एक सिलिकॉन मिश्रित एनोड के साथ संयुक्त होते हैं, तो उच्च ग्रेविमेट्रिक और वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व प्रदान करते हैं।
- विनिर्माण उद्देश्यों के लिए लागत में कमी की उम्मीद है।
- उत्पादन प्रक्रिया में केवल मामूली बदलाव की जरूरत है।
सॉलिड स्टेट लिथियम बैटरी
लिथियम-सल्फर बैटरी:
- डिस्चार्ज होने पर, लिथियम कैथोड पर सल्फर के साथ लिथियम सल्फाइड बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है।
- सल्फर, एक व्यापक और लागत प्रभावी सामग्री के रूप में, कम लागत वाली बैटरी सेल प्रदान करता है।
- चक्र और जीवन के बारे में अनिश्चितता, और एक उच्च तापमान संवेदनशीलता, बाजार खंड के विकास को विफल करना जारी रखती है।
- वर्तमान में, ऑटोमोबाइल उपयोग के लिए वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व बहुत कम है।
लिथियम-एयर बैटरी:
- डिस्चार्ज होने पर कैथोड पक्ष पर लिथियम ऑक्सीजन के साथ ऑक्सीकृत हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप लिथियम पेरोक्साइड और लिथियम ऑक्साइड होता है।
- उच्च ऊर्जा घनत्व और परिवेशी वायु का उपयोग तकनीकी रूप से संभव है।
- साइकिल स्थिरता में भारी बाधाएं, जो अगले दशक में एक कार आवेदन को असंभव लगती हैं।
सभी एसएसबी की कार्यक्षमता और डिजाइन
- एक आयन-पारगम्य ठोस इलेक्ट्रोलाइट एक विभाजक के रूप में कार्य करता है और सभी एसएसबी के कैथोड और एनोड के बीच स्थानिक और विद्युत पृथक्करण दोनों प्रदान करता है।
- चुनने के लिए कई प्रकार के सेल डिज़ाइन हैं। ऊपर दिए गए चित्र में एक पतली-फिल्म सेल को दर्शाया गया है। मोटी परतें बनाने के लिए एक मिश्रित कैथोड का उपयोग किया जा सकता है।
- लिथियम आयन एनोड से ठोस इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड तक जाते हैं जब सभी एसएसबी को छुट्टी दे दी जाती है। एक ही समय में बाहरी भार पर एक शक्ति प्रवाहित होती है।
- एनोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर प्रतिरोध बैटरी सेल की दक्षता का एक महत्वपूर्ण कारक है। इसे कम करने के लिए एक बाहरी शीट, जैसे रबर या एल्यूमीनियम मिश्र धातु का उपयोग किया जा सकता है।
- मजबूत इलेक्ट्रोलाइट के कारण बाइपोलर स्टैकिंग संभव है। नतीजतन, प्राथमिक कोशिकाएं क्रमिक रूप से जुड़ी हुई हैं।
सॉलिड स्टेट बैटरियां किससे बनी होती हैं?
सॉलिड-स्टेट बैटरी सामग्री:
एनोड:
अधिकतम ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने की उनकी सैद्धांतिक क्षमता के कारण, लिथियम धातु एनोड को आदर्श माना जाता है। दूसरी ओर, मजबूत इलेक्ट्रोलाइट को धातु लिथियम को डेंड्राइट बनाने से रोकना चाहिए। इसके अलावा, चूंकि लिथियम वायुमंडलीय ऑक्सीजन के साथ एक निष्क्रिय परत बनाता है, एक निष्क्रिय वातावरण के तहत हैंडलिंग की आवश्यकता होती है।
एनोड सामग्री के रूप में सिलिकॉन बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व प्रदान करता है, लेकिन लिथियम के साथ मिश्रित होने पर यह बहुत अधिक मात्रा में बदलाव से गुजरता है।
कैथोड:
धातु ऑक्साइड का उपयोग कैथोड के रूप में किया जाता है। चूंकि बहुत कम सामग्रियां हैं जिन्हें विशेष रूप से सभी एसएसबी के लिए डिजाइन किया गया है, ज्यादातर मामलों में मौजूदा कैथोड सामग्री का उपयोग किया जाता है।
सिद्धांत रूप में, इलेक्ट्रोलाइट के आधार पर सिद्ध कैथोड सामग्री की एक विस्तृत विविधता का उपयोग किया जा सकता है, जो लिथियम आयरन फॉस्फेट (एलएफपी) से लेकर लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी) जैसी सस्ती और सुरक्षित सामग्री से भिन्न होता है। कैथोड सामग्री के रूप में केवल लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (एलसीओ) और इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एलएलजेडओ व्यवहार में पर्याप्त स्थिरता और दक्षता प्रदर्शित करता है।
सभी सॉलिड स्टेट बैटरी के निर्माण की प्रक्रिया
- इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट प्रोसेसिंग, सेल असेंबली, और सेल फिनिशिंग सभी SSB के उत्पादन में तीन प्रमुख चरण हैं।
- कोई सार्वभौमिक सत्य प्रक्रिया श्रृंखला नहीं है; वैकल्पिक रूप से, संभावित प्रक्रिया श्रृंखलाओं की एक विस्तृत संख्या का उपयोग किया जा सकता है। ये लिथियम-आयन बैटरी उत्पादन प्रक्रिया से कई मायनों में भिन्न होते हैं।
- यह विधि मुख्य रूप से इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट आउटपुट के संदर्भ में दो अलग-अलग प्रक्रिया विकल्पों की तुलना और विरोधाभास करती है।
इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट
उत्पादन —- सेल असेंबली —— सेल फिनिशिंग
प्रक्रिया ए
प्रक्रिया बी
अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ ट्रेंच कोशिकाओं का संश्लेषण दोनों प्रक्रिया विकल्पों का विषय है। ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए, पाउच सेल प्रारूप सबसे उपयुक्त होता है।
एक प्रिज्मीय या गोल कोशिका:
ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी के ठोस घटकों के कारण, वाइंडिंग को बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। सिरेमिक परतें जो भंगुर होती हैं उनमें दरारें विकसित हो सकती हैं। इसके अलावा, उचित परत आसंजन की समस्या को अभी तक हल नहीं किया गया है।
पाउच सेल:
ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों को स्टैकिंग से लाभ होता है क्योंकि फ्लैट परतें विकृत नहीं होती हैं। इसके अलावा, परत यौगिक इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट प्रसंस्करण के दौरान उत्पन्न होता है, केवल मूल कोशिकाओं को बाद में ढेर करने के लिए छोड़ देता है।
वातावरण के प्रति सामग्री की प्रतिक्रियाशीलता के कारण निर्माण प्रक्रिया के लिए एक सूखे कमरे की आवश्यकता होती है। धातु लिथियम के साथ काम करते समय, एक अक्रिय गैस, जैसे आर्गन, की सिफारिश की जाती है।
प्रत्येक प्रक्रिया चरण के लिए लिथियम-आयन बैटरी कोशिकाओं के विकास में अर्जित कौशल की प्रयोज्यता का व्यापक मूल्यांकन किया जाता है।
प्रक्रिया ए के माध्यम से इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट उत्पादन:
- इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट प्रसंस्करण में कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट और एनोड का यौगिक बनता है।
- इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट विकास के बाद एक प्राथमिक सेल मौजूद है।
- पहली प्रक्रिया श्रृंखला की प्रमुख विशेषता, प्रोसेस चेन ए, एक सतत एक्सट्रूज़न प्रक्रिया है जिसमें परतें बनाई जाती हैं और फिर टुकड़े टुकड़े किए जाते हैं।
- यह प्रक्रिया श्रृंखला विशेष रूप से सल्फाइड-आधारित सभी ठोस-राज्य सामग्री के लिए उपयुक्त है।
कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट उत्पादन (कंपाउंडिंग):
- उत्पादन विधि
- दो अलग-अलग कंपाउंडिंग उद्योग कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट मेल्ट का उपयोग करते हैं।
- सामग्री घटकों को ट्विन-स्क्रू एक्सट्रूडर के गर्म बैरल में खिलाया जाता है और इसे दानेदार या पाउडर के रूप में प्रदान किया जा सकता है।
- एक्सट्रूडर की घूर्णी गति ऊर्जा को भौतिक घटकों में ले जाती है। नतीजतन, पिघल सजातीय है।
- इलेक्ट्रोलाइट कण, जो कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट के साथ-साथ बाइंडर्स और एडिटिव्स के बीच प्रतिरोध को कम करते हैं, कैथोड सक्रिय सामग्री के साथ मिश्रित होते हैं।
- इलेक्ट्रोलाइट अणु और बहुलक बाइंडर इलेक्ट्रोलाइट के दो भौतिक तत्व हैं।
प्रक्रिया के लिए पैरामीटर और शर्तें:
- आपूर्ति की जाने वाली व्यक्तिगत सामग्रियों की मात्रा
- सिलेंडर में तापमान और दबाव
- एक्सट्रूडर की दर और दबाव
- कतरनी शक्ति
गुणवत्ता विशेषताएं:
- पिघल की एकरूपता
- पिघल की चिपचिपाहट
- समामेलन पैमाने और मात्रा
प्रौद्योगिकी विकल्प:
- उच्च प्रदर्शन मिश्रण संयंत्र
कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट उत्पादन (सह-बाहर निकालना):
- उत्पादन विधि
- एक उपयुक्त डाई में, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट मेल्ट सह-एक्सट्रूडेड होते हैं। इसका परिणाम कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट परत संयोजन में होता है।
- अलग चैनल कैथोड को खिलाते हैं, और इलेक्ट्रोलाइट एक्सट्रूज़न डाई के माध्यम से पिघलता है।
- मेल्ट चैनलों के माध्यम से एक्सट्रूज़न डाई के आउटलेट तक जाते हैं। एक स्लॉट डाई का उपयोग करके एक वर्तमान कंडक्टर पर मेल्ट्स को बाहर निकाला जाता है।
प्रक्रिया पैरामीटर और आवश्यकताएं:
- परत की मोटाई का समायोजन
- पिघल फ़ीड दर
- तापमान
- दबाव
- रोल स्पीड
- कलैण्डर रोल का दाब दाब
गुणवत्ता विशेषताएं:
- परत की मोटाई
- परत की चौड़ाई
- परतों के बीच आसंजन
प्रौद्योगिकी विकल्प:
- स्क्रीन प्रिंटिंग
पन्नी की ढलाई
एनोड उत्पादन (एक्सट्रूज़न और कैलेंडरिंग):
- एक संपूर्ण SSB एनोड धातु लिथियम फ़ॉइल से बनाया जा सकता है। इस लिथियम फिल्म को बनाने के लिए बाद के कैलेंडरिंग के साथ एक्सट्रूज़न का उपयोग किया जा सकता है।
- इस उद्देश्य के लिए तरल लिथियम को पिस्टन एक्सट्रूडर के सिलेंडर में डाला जाता है। लिथियम को फिर एक पिस्टन द्वारा नोजल में निचोड़ा जाता है।
- एक्सट्रूज़न के बाद कैलेंडरिंग एकरूपता और ऑप्टिकल फिल्म मोटाई सुनिश्चित करता है। इस कारण से स्नेहक के अनुप्रयोग के साथ फिल्म को दो रोलर्स द्वारा तनाव में घुमाया जाता है।
- रोलर्स को लिथियम के चिपकने के साथ काम करने में सक्षम होना चाहिए। पॉलिमर-लेपित रोलर्स, जैसे कि पॉलीएसेटल से बने, इसे पूरा करेंगे।
प्रक्रिया पैरामीटर और आवश्यकताएं:
- बाहर निकालना गति
- तापमान
- नोजल ज्यामिति
- कैलेंडर रोल का दबाव दबाव
- स्नेहक की आपूर्ति गति
- रोल स्पीड
गुणवत्ता विशेषताएं:
- फिल्म की मोटाई
- पन्नी की चौड़ाई
- लिथियम पन्नी की एकरूपता
प्रौद्योगिकी विकल्प:
- परमाणु परत निक्षेपण
पीवीडी प्रक्रिया
परत यौगिक उत्पादन (लैमिनेटिंग):
- लिथियम पन्नी को संसाधित होने के बाद कैथोड-इलेक्ट्रोलाइट समग्र पर टुकड़े टुकड़े किया जाता है। इस कार्य के लिए रोलर्स का उपयोग करके दो परतों को एक साथ रखा गया है।
- अगले चरण में दो परतों को एक साथ जोड़ने के लिए दो रोलर्स का उपयोग किया जाता है। अधिक आसंजन बल प्राप्त करने के लिए, इन्हें गर्म किया जाता है। पॉलिमर गर्म करने और दबाने के दौरान एक परत से दूसरी परत में प्रवेश करते हैं, जिससे एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच की कड़ी बनती है।
- शब्द “सूखा” और “गीला” फाड़ना विभेदित किया जा सकता है। फाड़ना तक, गीला फाड़ना एक विलायक के साथ संपर्क सतहों को नम करता है। यह निम्न-तापमान और निम्न-दबाव लेमिनेशन की सुविधा प्रदान करता है।
प्रक्रिया के पैरामीटर और आवश्यकताएं:
- परतों की खिला गति
- रोल स्पीड
- दबाव
- परतों का वैकल्पिक ताप
गुणवत्ता विशेषताएं:
- परतों के बीच आसंजन
- वांछित समग्र मोटाई
- समग्र की ज्यामिति
प्रौद्योगिकी विकल्प:
- दबाने और बाद में सिंटरिंग
इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट उत्पादन प्रक्रिया बी
- भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) प्रक्रिया, जिसमें अलग-अलग परतें एक के बाद एक जोड़ी जाती हैं, नीचे दिखाई गई प्रक्रिया श्रृंखला बी की प्रमुख विशेषता है।
- यह वर्तमान प्रक्रिया, जो एक पतली-फिल्म बैटरी के निर्माण चरणों को दिखाती है, विशेष रूप से ऑक्साइड-आधारित ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी के लिए उपयुक्त है ।
सामग्री तैयार करना (पीसना और मिलाना):
- निर्माण की पद्धति
- इलेक्ट्रोलाइट पाउडर से कैथोड पाउडर को अलग करने के लिए बॉल मिल का उपयोग किया जाता है।
- इस कार्य के लिए कच्चे माल को बेलनाकार ग्राइंडिंग ड्रम में रखा जाता है। इस ग्राइंडिंग ड्रम में बॉल्स का उपयोग ग्राइंडिंग मीडिया के रूप में किया जाता है।
- सिलेंडर की घूर्णी गति प्रारंभिक सामग्री को जोड़ती है। इसके अलावा, घूर्णन आंदोलन यह सुनिश्चित करता है कि पीसने वाला मीडिया और प्रारंभिक सामग्री एक दूसरे के सापेक्ष शिफ्ट हो जाती है जब बाद वाला जमीन होता है।
- उसके बाद, वांछित पाउडर गुणों को प्राप्त करने के लिए पाउडर को शांत किया जाता है।
प्रक्रिया की आवश्यकताएं और पैरामीटर:
- गेंद सामग्री
- स्पीड
- पीसने का समय
- सिलेंडर सामग्री
- प्रारंभिक सामग्री की मात्रा
गुणवत्ता विशेषताएं:
- औसत पाउडर कण आकार
- पाउडर की एकरूपता (मिश्रण की डिग्री)
प्रौद्योगिकी विकल्प:
- सोल-जेल प्रक्रिया
परत यौगिक उत्पादन (उच्च आवृत्ति स्पटरिंग):
निर्माण प्रक्रिया:
- कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट पाउडर से कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट परत बनाने के लिए उच्च आवृत्ति स्पटरिंग का उपयोग किया जाता है। स्पटरिंग प्रक्रिया का लक्ष्य पहले डाई या हॉट-प्रेसिंग सिस्टम का उपयोग करके पाउडर से बनाया जाता है।
- वर्तमान संग्राहक प्रक्रिया के सब्सट्रेट के रूप में भी कार्य करता है। पहले चरण में कैथोड परत जमा होती है। फिर कैथोड परत के ऊपर एक इलेक्ट्रोलाइट परत रखी जाती है।
- आयनों को स्पटरिंग ऑपरेशन के लक्ष्य के लिए लक्षित किया जाता है। इस चरण में परमाणु लक्ष्य से बाहर हो जाते हैं, जो तब गैस चरण तक पहुँचते हैं और सब्सट्रेट की ओर बढ़ते हैं। इसलिए परत को सब्सट्रेट की सतह पर परमाणु द्वारा परमाणु द्वारा विकसित किया जाता है।
- उच्च आवृत्ति स्पटरिंग के लिए एक निर्वात कक्ष का उपयोग किया जाता है।
प्रक्रिया की आवश्यकताएं और पैरामीटर:
- तापमान
- जमा करने का समय
- प्रक्रिया दबाव
- परिवेश का माहौल
- प्रक्रिया शक्ति / शक्ति घनत्व
- लक्ष्य व्यास और लक्ष्य दूरी
गुणवत्ता विशेषताएं:
- वर्तमान कलेक्टर की परत मोटाई
- कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट की परत की मोटाई
प्रौद्योगिकी विकल्प:
- रासायनिक वाष्प निक्षेपन
परत यौगिक निक्षेपण (सिन्टरिंग)
निर्माण प्रक्रिया:
- सिंटरिंग के दौरान कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट परतें संकुचित हो जाती हैं। दो परतों के बीच बंधन को बढ़ाकर, इंटरफ़ेस इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड पर प्रतिरोध को कम किया जा सकता है।
- कैथोड-इलेक्ट्रोलाइट यौगिक को सिन्टर करने के लिए एक सिंटरिंग फर्नेस का उपयोग किया जाता है। पदार्थ को उसके गलनांक के ठीक नीचे तक गर्म किया जाता है।
- सामग्री के परिणामी सरंध्रता को चुने गए प्रक्रिया मापदंडों के आधार पर संशोधित किया जा सकता है।
- पर्यावरण के साथ प्रतिक्रियाओं से बचने के लिए, सिंटरिंग प्रक्रिया एक निष्क्रिय वातावरण या निर्वात में होती है।
- ऑक्साइड-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए सिंटरिंग विशेष रूप से महत्वपूर्ण है ताकि कम पर्याप्त इंटरफेसियल टॉलरेंस प्राप्त किया जा सके।
परत यौगिक उत्पादन (थर्मल वाष्पीकरण):
उत्पादन की प्रक्रिया:
- एनोड को थर्मल वाष्पीकरण का उपयोग करके कैथोड-इलेक्ट्रोलाइट यौगिक पर लागू किया जा सकता है। एनोड सामग्री धातु लिथियम से बना है।
- थर्मल वाष्पीकरण के लिए क्वथनांक से ऊपर के तापमान पर धातु लिथियम को गर्म करने की आवश्यकता होती है, जैसे कि इलेक्ट्रॉन बीम बाष्पीकरण के साथ, ताकि यह वाष्प चरण तक पहुंच सके। निर्वात कक्ष में भाप समान रूप से फैलती है।
- संक्षेपण इलेक्ट्रोलाइट के निचले तापमान की सतह पर कोटिंग बनाता है।
- थर्मल वाष्पीकरण एक निर्वात कक्ष में होता है, जो स्पटरिंग के बराबर होता है।
