سالڈ اسٹیٹ بیٹری کا تعارف
ایک بیٹری میں، مثبت آئن منفی اور مثبت الیکٹروڈ کے درمیان آئن کنڈکٹر کے ذریعے حرکت کرتے ہیں اور برقی رو پیدا کرنے کے لیے الیکٹران فراہم کرتے ہیں۔ روایتی بیٹریوں میں مثال کے طور پر لیتھیم آئن بیٹریاں ، آئنک موصل ایک انتہائی آتش گیر مائع نامیاتی مرکب ہے جو ایک اہم نقصان ہے۔ مختلف تحقیق اور ترقی کے عمل نے مائع کنڈکٹرز کو تبدیل کرنے کے لیے اعلیٰ کارکردگی والے ٹھوس کنڈکٹرز کو تلاش کرنے کے لیے مختلف قسم کے مرکبات کی ترکیب کی۔ محققین نے ایک ٹھوس ریاست آئن کنڈکٹر دریافت کیا ہے جس نے روایتی لتیم آئن موصل کی کارکردگی کو پیچھے چھوڑ دیا ہے۔ مثال کے طور پر: LGPS سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ (LGPS: لتیم، جرمینیم، فاسفورس، سلفر)
ٹھوس حالت کی بیٹری کیا ہے؟ یہ ٹیکنالوجی کا نقطہ نظر ہے جس میں زیادہ حفاظت، اعلی توانائی کی کثافت ، اور لاگت کی تاثیر کی زیادہ صلاحیت ہے۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں صارفین کی الیکٹرانکس اور الیکٹرک گاڑیوں میں بیٹری ٹیکنالوجی کا مستقبل ہیں۔ کیتھوڈ، اینوڈ، الگ کرنے والا، اور الیکٹرولائٹ ایک لتیم آئن بیٹری بناتے ہیں۔ مائع الیکٹرولائٹ محلول مائع حالت کی بیٹریوں (لیتھیم آئن بیٹریوں) میں استعمال ہوتا ہے، جو اسمارٹ فونز، پاور ٹولز اور برقی گاڑیوں میں لاگو ہوتا ہے۔ دوسری طرف ایک سالڈ سٹیٹ بیٹری مائع الیکٹرولائٹ کے بجائے ٹھوس الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتی ہے جیسا کہ روایتی بیٹریوں میں استعمال ہوتا ہے۔
بیٹری میں الیکٹرولائٹ ایک ترسیلی کیمیائی مرکب ہے جو کرنٹ کو اینوڈ اور کیتھوڈ کے درمیان گزرنے دیتا ہے۔ الگ کرنے والے شارٹ سرکٹ سے بچتے ہیں۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں الیکٹرو کیمیکل خلیات ہیں جن میں اینوڈ، کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ ہوتے ہیں، بالکل کسی بھی دوسری بیٹری کی طرح۔ الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹس لیڈ ایسڈ بیٹریوں کے برعکس ٹھوس ہیں۔
تجارتی طور پر دستیاب لی آئن بیٹری میں ایک الگ کرنے والا ہے جو کیتھوڈ اور اینوڈ کو مائع الیکٹرولائٹ محلول سے الگ کرتا ہے۔ دوسری طرف، سالڈ سٹیٹ بیٹریاں مائع الیکٹرولائٹ محلول کی بجائے ٹھوس الیکٹرولائٹس استعمال کرتی ہیں، اور ٹھوس الیکٹرولائٹ بھی الگ کرنے والے کے طور پر کام کرتی ہے۔ یہ بیٹریاں سالڈ اسٹیٹ ای وی بیٹری کی صلاحیت کو بڑھانے کے لیے ضروری اور سخت ضرورت ہیں۔ وہ آتش گیر ہیں، اور پھٹنے کے امکانات نہ ہونے کے برابر ہیں۔ سالڈ سٹیٹ بیٹری کی ایک مثال لتیم فاسفیٹ گلاس ہے۔ ان بیٹریوں میں توانائی کی کثافت زیادہ ہوتی ہے۔
سالڈ سٹیٹ بیٹری کی توانائی کی گنجائش مائع الیکٹرولائٹ محلول والی لی آئن بیٹری سے زیادہ ہوتی ہے۔ چونکہ دھماکے یا آگ لگنے کا کوئی امکان نہیں ہے، اس لیے حفاظتی اجزاء کی ضرورت نہیں ہے، جس سے جگہ کی بچت ہوتی ہے۔ بیٹریاں لیتھیم آئن بیٹریوں کے مقابلے میں دو گنا زیادہ توانائی میں پیک کر سکتی ہیں جس کے نتیجے میں ان کی طاقت میں اضافہ ہوتا ہے۔ چونکہ صرف چند بیٹریوں کی ضرورت ہوتی ہے، ایک سالڈ اسٹیٹ بیٹری توانائی کی کثافت کو فی یونٹ رقبہ میں بڑھا سکتی ہے۔
سالڈ اسٹیٹ بیٹری ٹیکنالوجی
SSB بنیادی طور پر درج ذیل خصوصیات پر توجہ مرکوز کرتا ہے:
اعلی توانائی کی کثافت:
- کم قیمت: سستے مواد کا استعمال اور لاگت سے موثر عمل اور اعلی توانائی کی کثافت کی وجہ سے۔
- اعلی حفاظت: زیادہ چارج کرنے کے لئے رواداری، گہری چارج کے لئے رواداری
- قلیل مواد کی کم انحصار: کم ارضیاتی انحصار، لتیم، کوبالٹ جیسے مواد کا متبادل۔
- کم ماحولیاتی اثر: کوئی زہریلا مواد نہیں، کوئی بھاری دھاتیں نہیں، کوئی خطرناک کیمیکل نہیں، ماحول دوست پیداوار، مواد کو ضائع کرنا یا ری سائیکل کرنا آسان ہے۔
- دیگر: گہری خارج ہونے کی صلاحیت، تیز چارج، یا خارج ہونے کی صلاحیت۔
سالڈ اسٹیٹ الیکٹرولائٹ سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں میں کلیدی جزو ہے۔ ٹھوس ریاست الیکٹرولائٹ مواد کی تین اہم اقسام ہیں۔
غیر نامیاتی مواد: غیر نامیاتی کرسٹل مواد، غیر نامیاتی امورفوس مواد۔ چونکہ غیر نامیاتی الیکٹرولائٹس میں اعلی لچکدار ماڈیولی، مضبوط تھرمل/کیمیائی استحکام، ایک بڑی الیکٹرو کیمیکل ونڈو، اعلی آئنک چالکتا، اور کم الیکٹرانک چالکتا ہوتی ہے، یہ الیکٹرولائٹس سخت بیٹری ڈیزائن کے لیے بہتر موزوں ہیں جو سخت ماحول میں کام کر سکتے ہیں۔
ٹھوس پولیمر: مثال کے طور پر: پولی تھیلین آکسائیڈ۔ اگرچہ پولیمر الیکٹرولائٹس غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹس سے کم آئنک چالکتا رکھتے ہیں، لیکن وہ مختلف قسم کے جیومیٹریز، اعلی لچک فراہم کر سکتے ہیں، اور کم لاگت اور آسان پروڈکشن پروسیسنگ کی ضرورت ہوتی ہے۔ بیٹری کے خلیوں کو مربوط کرتے وقت، ٹھوس پولیمر الیکٹرولائٹ آسانی سے ایک مؤثر الیکٹروڈ-الیکٹرولائٹ لنک بنا سکتا ہے، جو بیٹریوں کی الیکٹرو کیمیکل استحکام اور سائیکل کی زندگی کو بڑھا سکتا ہے۔ ایک مائع الیکٹرولائٹ روایتی لتیم آئن بیٹریوں میں استعمال ہوتا ہے، اور یہ عام طور پر الیکٹروڈ کے ساتھ اچھا رابطہ کرتا ہے۔
الیکٹروڈ اپنی بناوٹ والی سطحوں کی بدولت سپنج کی طرح مائع کو جذب کرتے ہیں، جس کے نتیجے میں رابطہ کا ایک بڑا علاقہ ہوتا ہے۔ نظریہ میں، دو ٹھوس چیزوں کو بغیر کسی رکاوٹ کے جوڑا نہیں جا سکتا۔ نتیجے کے طور پر، الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان مزاحمت زیادہ ہے. ٹھوس الیکٹرولائٹ فاسفیٹ الیکٹروڈز کے لیے ایک مستحکم کیریئر میڈیم کے طور پر کام کرتا ہے، جو کہ دونوں طرف اسکرین پرنٹ ہوتے ہیں۔ نئی سالڈ سٹیٹ بیٹری، روایتی لیتھیم آئن بیٹریوں کے برعکس، مکمل طور پر زہریلے یا خطرناک مادوں سے پاک ہے۔
دونوں قسم کے مواد کا فائدہ حاصل کرنے کے لیے غیر نامیاتی اور پولیمر مواد کو ملایا جاتا ہے۔ یہ الیکٹرولائٹس اعلی آئنک چالکتا دکھاتے ہیں اور نسبتاً لچکدار ہوتے ہیں۔
ٹھوس الیکٹرولائٹ کی مکینیکل، برقی اور کیمیائی خصوصیات کے ساتھ ساتھ انوڈ اور کیتھوڈ الیکٹروڈ کے ساتھ ان کے انٹرفیس/انٹرفیسز، سالڈ سٹیٹ بیٹری کی کارکردگی پر نمایاں اثر ڈالتے ہیں۔
سالڈ سٹیٹ بیٹریوں میں بنیادی مسائل، تین ضروری مظاہر پر زور دینے کے ساتھ:
(i) اعلی درجے کے آئنک کنڈکٹرز تیار کرنے کے اصول،
(ii) کیمیائی طور پر غیر مستحکم الیکٹرولائٹ الیکٹروڈ انٹرفیس پر ساختی ترقی، اور
(iii) سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کی پروسیسنگ کے مضمرات، بشمول الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ فن تعمیر۔ سالڈ سٹیٹ الیکٹرولائٹس (SSEs) نہ صرف حفاظتی مسائل کو حل کر سکتے ہیں بلکہ دھاتی اینوڈ اور ہائی وولٹیج آپریشن کے استعمال کی بھی اجازت دیتے ہیں۔
سالڈ سٹیٹ بیٹری (SSB) بیٹریوں کی اگلی نسل کے لیے بہترین حل میں سے ایک ہے کیونکہ ٹھوس الیکٹرولائٹس میں تھرمل استحکام بہت زیادہ ہوتا ہے۔ مزید برآں، غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹس انتہائی درجہ حرارت میں کام کر سکتے ہیں، جیسے کہ 50 سے 200 ° C یا اس سے بھی زیادہ، جہاں نامیاتی الیکٹرولائٹس منجمد، ابلنے، یا گلنے کی وجہ سے ناکام ہو جاتی ہیں۔
تمام ٹھوس ریاست الیکٹرولائٹس کا استعمال کرتے وقت متوقع الیکٹرو کیمیکل آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے لیے، چار منفرد خصوصیات پر غور کیا جاتا ہے۔ ان خصوصیات میں شامل ہیں:
(i) اعلی آئنک چالکتا (+Li> 104 S/cm)؛
(ii) لیتھیم ڈینڈرائٹ کے دخول کو روکنے کے لیے مناسب مکینیکل طاقت اور کچھ ساختی نقائص؛
(iii) کم قیمت خام مال اور آسان تیاری کے عمل؛ اور
(iv) لتیم آئن کے پھیلاؤ کے لیے کم ایکٹیویشن توانائی۔
سالڈ اسٹیٹ بیٹری کے فوائد
- سادہ ڈھانچہ: ٹھوس الیکٹرولائٹس انوڈ اور کیتھوڈ کے رابطے کو روکنے والے جداکار کے طور پر کام کرتے ہیں جس کے نتیجے میں توانائی کی کثافت زیادہ ہوتی ہے اور جداکار کی لاگت سے بچا جاتا ہے۔
- ہائی وولٹیج: ٹھوس الیکٹرولائٹس کا گلنا زیادہ ہے جس کے نتیجے میں اعلی توانائی کی کثافت ہوتی ہے۔
- غیر آتش گیر ٹھوس الیکٹرولائٹ۔
- الیکٹرولائٹ شعلہ retardant ہے.
- مائع الیکٹرولائٹ لیک ہونے کا کوئی خطرہ نہیں۔
- اعلی آپریٹنگ درجہ حرارت پر استعمال کیا جا سکتا ہے جس کی وجہ سے آپریٹنگ درجہ حرارت کی ایک بڑی حد ہوتی ہے۔
- ایک پیکج میں سیل اسٹیکنگ کا امکان۔
- سادہ سیل ڈھانچہ اور سادہ مینوفیکچرنگ لاگت سالڈ سٹیٹ بیٹری کو لاگت سے موثر بناتی ہے۔
- سالڈ اسٹیٹ بیٹری مائع حالت کی بیٹریوں سے 6 گنا زیادہ تیزی سے چارج ہوتی ہے۔
- سالڈ سٹیٹ بیٹری کی عمر 10 سال تک چل سکتی ہے۔
سالڈ اسٹیٹ بیٹری کے نقصانات
- ڈینڈرائٹس لاگت کو چھوڑ کر سالڈ اسٹیٹ بیٹری کا سب سے سنگین مسئلہ ہے۔ ڈینڈرائٹ ایک لتیم دھاتی کرسٹلائزیشن ہے جو انوڈ سے شروع ہوتی ہے اور پوری بیٹری میں پھیل سکتی ہے۔ یہ اس وقت ہوتا ہے جب ٹھوس الیکٹرولائٹ میں آئن الیکٹران کے ساتھ مل کر ٹھوس لتیم دھات کی شیٹ بناتے ہیں کیونکہ زیادہ کرنٹ چارجنگ اور ڈسچارج ہوتا ہے۔
- یہ بیٹریاں کنزیومر الیکٹرانکس اور الیکٹرک گاڑیوں میں بڑے پیمانے پر استعمال نہیں ہوتیں کیونکہ یہ بہت مہنگی ہوتی ہیں۔ ٹھوس حالت کی بیٹریاں سست حرکیات کی نمائش کرتی ہیں اس کی وجہ سے:
- کم آئنک چالکتا
- اعلی انٹرفیشل مزاحمت
- ناقص انٹرفیشل رابطہ
سالڈ اسٹیٹ بیٹری کیسے کام کرتی ہے؟
جیسا کہ پہلے ذکر کیا گیا ہے، سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں ٹھوس مثبت اور منفی الیکٹروڈ مواد کے ساتھ ٹھوس الیکٹرولائٹ جھلی کا استعمال کرتی ہیں۔ چارج یا خارج ہونے والے مادہ کے دوران، آئن محلول میں تحلیل ہونے والے آئنک نمک کے بجائے آئن کنڈکٹیو ٹھوس میٹرکس میں منتقل ہو جاتے ہیں، جس کی وجہ سے چارج یا خارج ہونے والے رد عمل رونما ہوتے ہیں۔ ریڈوکس رد عمل کو ٹھوس ریاست کی بیٹریوں میں توانائی کو ذخیرہ کرنے اور تقسیم کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ اینوڈ آکسیڈیشن سے گزرتا ہے، جب کہ کیتھوڈ میں کمی آتی ہے، اور بیٹری اس رجحان کو ضرورت کے مطابق توانائی کو ذخیرہ کرنے (چارج) اور خارج کرنے (خارج) کے لیے استعمال کر سکتی ہے۔
توانائی خارج کرتے وقت، آئن بیٹری کے مادوں کے درمیان ایک کیمیائی رد عمل کا باعث بنتے ہیں جسے ‘ریڈوکس’ کہا جاتا ہے، جس میں آکسیڈیشن آزاد الیکٹرانوں کے ساتھ مرکبات بنانے کے لیے انوڈ پر واقع ہوتی ہے، جو برقی توانائی فراہم کرتے ہیں، اور کیتھوڈ میں کمی ایسے مرکبات پیدا کرنے کے لیے ہوتی ہے جو الیکٹران حاصل کرتے ہیں اور لہذا طاقت کو محفوظ رکھیں۔ جب بیٹری چارج ہوتی ہے تو میکانزم الٹ جاتا ہے۔ ٹھوس حالت کی بیٹریاں (کیتھوڈ) خارج کرتے وقت مثبت طور پر چارج شدہ آئن الیکٹرولائٹ سے منفی الیکٹروڈ (اینوڈ) سے مثبت الیکٹروڈ (کیتھوڈ) تک جاتے ہیں۔ یہ کیتھوڈ میں ایک مثبت چارج کی نشوونما کا سبب بنتا ہے اور انوڈ سے الیکٹران جذب کرتا ہے۔
تاہم، چونکہ الیکٹران الیکٹرولائٹ سے نہیں گزر سکتے، اس لیے انہیں سرکٹ کے ذریعے سفر کرنا چاہیے، جو بھی اس سے منسلک ہے، جیسے کہ الیکٹرک موٹر کو طاقت فراہم کرتا ہے۔ چارج کرنے کے عمل میں، آئن انوڈ کی طرف ہجرت کرتے ہیں، ایک چارج جمع کرتے ہیں جو ایک سرکٹ کے ذریعے کیتھوڈ سے الیکٹرانوں کو جذب کرتا ہے۔ بیٹری کو مکمل طور پر چارج کیا جاتا ہے جب منفی الیکٹروڈ میں مزید آئن نہیں بہہ سکتے ہیں۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کو سائیکلنگ کے دوران اعلی چالکتا کو برقرار رکھنے کے لیے اپنی تہوں کے اندر مختلف اضافی اور بائنڈرز کی ضرورت ہوتی ہے۔ چارجنگ اور ڈسچارجنگ کے دوران رابطے کو برقرار رکھنے کے لیے مواد کو دباؤ میں بھی رکھا جانا چاہیے۔ چارجنگ اور ڈسچارجنگ سائیکلوں کے دوران مواد کی عام توسیع اور سکڑاؤ مضبوط رابطے کو برقرار رکھنے میں مشکلات میں اضافہ کرتا ہے۔
سیل کی سائیکل لائف اور آؤٹ پٹ کو نقصان پہنچ سکتا ہے اگر توسیع اور سکڑاؤ وقت کے ساتھ بانڈ کو کمزور کرتا ہے۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں پیک لیول کو بھی آسان بناتی ہیں، جہاں لی آئن بیٹریوں کے مقابلے میں انفرادی سیل منسلک ہوتے ہیں۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کو تھرمل کنٹرول کی راہ میں زیادہ ضرورت نہیں ہوتی کیونکہ درجہ حرارت بڑھنے کے ساتھ ہی ان کی کارکردگی بہتر ہوتی ہے۔
مجموعی طور پر چارج اور خارج ہونے والے مادہ کی شرح، نیز ٹھوس الیکٹرولائٹس کی آئنک چالکتا، درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ بڑھ جاتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، ایک سالڈ سٹیٹ سیل کا حتمی آپریٹنگ درجہ حرارت صرف لتیم کے پگھلنے کے نقطہ سے محدود ہوتا ہے، جو کہ 180 °C ہے۔ مزید برآں، آتش گیر لی آئن مائع الیکٹرولائٹ کی عدم موجودگی تباہ کن سیل یا پیک کی ناکامی کے بارے میں ڈیزائن کے خدشات کو ختم کرتی ہے۔ لیتھیم دھات پر مبنی سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں کو لی-آئن بیٹری متبادل کے طور پر استعمال کیا جانا چاہیے کیونکہ عام لی-آئن بیٹریوں میں استعمال ہونے والے گریفائٹ اینوڈ میں لیتھیم (0.20 V) کے مقابلے میں کم صلاحیت ہوتی ہے، جو مساوی وولٹیج اور کارکردگی کے ساتھ زیادہ حجمی توانائی کی کثافت پیش کرتی ہے۔ .
کیا ٹھوس حالت کی بیٹریاں دستیاب ہیں؟
پیس میکر، آر ایف آئی ڈی، اور پورٹیبل ڈیوائسز سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں استعمال کرتی ہیں۔ ان میں سے کچھ بیٹریاں خلائی ایپلی کیشنز میں استعمال ہو رہی ہیں۔ EV/HEV آٹوموبائل مارکیٹ میں سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے لیے کمرشلائزیشن کے طریقے۔ سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں لانا صرف ایک مناسب سالڈ اسٹیٹ الیکٹرولائٹ تیار کرنے کے بارے میں نہیں ہے بلکہ اس طرح کی خصوصیات پر غور کرنا ہے:
- مواد کی فراہمی اور فروخت کو محفوظ بنانا۔
- سیل اور پیک مینوفیکچرنگ کا سامان اور ترقی.
سالوں کی ترقی کے باوجود، بہت سے کھلاڑی سالڈ سٹیٹ بیٹریاں مارکیٹ میں لانے میں کامیاب نہیں ہو سکے۔ کمرے کے درجہ حرارت پر، آئنک الیکٹرولائٹس عام طور پر مائع الیکٹرولائٹس سے کم شدت کے کئی آرڈر ہوتے ہیں۔ یہ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کی کمرشلائزیشن کے لیے اہم رکاوٹوں میں سے ایک ہے۔ جب کہ سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں کا تصور کئی دہائیوں سے موجود ہے، الیکٹرانکس فرموں، کار مینوفیکچررز، اور عام صنعتی فراہم کنندگان کی سرمایہ کاری کی بدولت اب پیش رفت ہو رہی ہے۔
سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں کیوں بہتر ہیں؟
سالڈ سٹیٹ بیٹریاں اپنے مائع سے بھرے ہم منصبوں پر کئی فائدے پیش کرتی ہیں، بشمول طویل بیٹری لائف، تیز چارجنگ کے اوقات، اور ایک ہموار تجربہ۔ مائع الیکٹرولائٹ میں الیکٹروڈ کو معطل کرنے کے بجائے، سالڈ سٹیٹ بیٹریاں انوڈ، کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ کو تین فلیٹ تہوں میں سکیڑتی ہیں۔ نتیجے کے طور پر، ان کو چھوٹا بنایا جا سکتا ہے — یا کم از کم زور دیا جا سکتا ہے جس میں اتنی ہی توانائی ہوتی ہے جتنی بڑی سالوینٹ بیٹری۔
لہٰذا، جب کسی فون یا لیپ ٹاپ میں لتیم آئن یا لتیم پولیمر بیٹری اسی صلاحیت کی سالڈ اسٹیٹ بیٹری کے ساتھ ہو، تو یہ زیادہ دیر تک چلے گی۔ ایک ایسا نظام بنایا گیا ہے جس میں اتنی ہی مقدار میں چارج ہوتا ہے لیکن وہ بہت چھوٹا اور پتلا ہوتا ہے۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں، جب کرنٹ ڈیوائسز یا یہاں تک کہ الیکٹرک گاڑیوں کو پاور کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہیں، تو بیٹریاں بہت تیزی سے ری چارج ہو سکتی ہیں کیونکہ آئن کیتھوڈ سے اینوڈ تک بہت تیزی سے سفر کر سکتے ہیں۔ ایک سالڈ سٹیٹ بیٹری مختلف ریچارج ایبل بیٹریوں کی صلاحیت کے لحاظ سے 500 فیصد یا اس سے زیادہ نمائش کر سکتی ہے اور وقت کے دسویں حصے میں چارج کر سکتی ہے۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں ماحول کے لیے کم نقصان دہ ہوتی ہیں۔
ٹھوس ریاست کی پتلی فلم کی بیٹریاں روایتی بیٹریوں سے کم ماحولیاتی طور پر خطرناک ہوتی ہیں۔ چونکہ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کی کارکردگی اور توانائی کی کثافت زیادہ ہوتی ہے، اس لیے انہیں کولنگ اور کنٹرول کے اجزاء کی ضرورت نہیں ہوتی جو لیتھیم آئن بیٹریاں کرتی ہیں، جس کے نتیجے میں مجموعی سائز چھوٹا، ڈیوائس کی آزادی اور وزن کم ہوتا ہے۔
چونکہ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں مائع الیکٹرولائٹ میں کیمیکلز کی وجہ سے ہونے والے الیکٹروڈ سنکنرن کے خلاف مزاحم ہوتی ہیں یا الیکٹرولائٹ میں ٹھوس تہوں کی تعمیر جو بیٹری کی زندگی کو کم کرتی ہے، اس لیے سالڈ سٹیٹ بیٹریاں لیتھیم آئن بیٹریوں کے مقابلے زیادہ ڈسچارج اور چارج سائیکل کو سنبھال سکتی ہیں۔ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں لتیم آئن بیٹریوں کے مقابلے میں سات گنا زیادہ ری چارج ہو سکتی ہیں، جس سے وہ چند سالوں کے بجائے دس سال تک چلتی ہیں جو لیتھیم آئن بیٹریاں چلتی ہیں۔ تعلیمی ادارے، بیٹری بنانے والے، اور مادی ماہرین سبھی اس بات کی تحقیقات کر رہے ہیں کہ سالڈ سٹیٹ بیٹریاں وسیع پیمانے پر استعمال کے لیے اگلی نسل کے پاور ذرائع میں تبدیل ہو سکتی ہیں۔
کیا سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں تیزی سے چارج ہوتی ہیں؟
کچھ ٹھوس الیکٹرولائٹس میں 5 mS/cm سے زیادہ ionic conductivity ہوتی ہے اور وہ سنگل آئن کنڈکٹر ہوتے ہیں۔ زیادہ کرنٹ پر، یہ پولرائزیشن مزاحمت کو ٹھوس الیکٹرولائٹ میں بننے سے روکتا ہے۔ نتیجتاً، تیز چارجنگ ممکنہ طور پر ممکن ہے۔ سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں لتیم آئن بیٹریوں میں آتش گیر مائع الیکٹرولائٹ کو تبدیل کرنے کے لیے ٹھوس مواد، عام طور پر پولیمر یا سیرامک کمپاؤنڈ کا استعمال کرتی ہیں۔ لیتھیم میٹل اینوڈس کو روایتی گریفائٹ یا سلکان اینوڈس کے متبادل کے طور پر متعارف کرایا گیا ہے۔ سالڈ سٹیٹ لیتھیم میٹل بیٹریاں تیار کرنے کی یہ کوشش توانائی کی کثافت کو دوگنا کرنے کی صلاحیت رکھتی ہے جبکہ چارجنگ کے وقت کو نمایاں طور پر کم کرتی ہے۔
ٹھوس حالت کی بیٹری کیسے بنتی ہے؟
سالڈ سٹیٹ بیٹری میں، صرف دو اہم پرتیں ہوتی ہیں، کیتھوڈ ایک مثبت الیکٹروڈ جس کا برقی رابطہ سالڈ سٹیٹ سیرامک سیپریٹر کے ساتھ ہوتا ہے جو پولیمر سیپریٹر کی جگہ لے لیتا ہے، جو غیر محفوظ پولیمر سیپریٹر کی جگہ لیتا ہے جو روایتی لیتھیم آئن بیٹریوں میں پایا جاتا ہے۔ آل سالڈ سٹیٹ الیکٹرولائٹس سپریونک کنڈکٹرز اور آپٹمائزڈ انٹرفیس پر انحصار کرتے ہیں۔
ایک اچھی سالڈ سٹیٹ الیکٹرولائٹ تیار کرنے کا چیلنج انٹرفیس، ٹرپل فیز باؤنڈریز پر قابو پانا ہے جہاں مثبت الیکٹروڈز، آئنز اور الیکٹران کو بیک وقت لے جانا پڑتا ہے، جس کے لیے بہت وقفے وقفے سے مرحلے کی ضرورت ہوتی ہے۔ انٹرفیس پر بیک وقت الیکٹران اور آئن ٹرانسپورٹ کا حصول اور انٹرفیس کا کنٹرول ایک چیلنج ہے۔
کاربن کی موجودگی میں الیکٹرولائٹ کے مثبت الیکٹرولائٹ اور آکسیڈیٹیو استحکام کے ساتھ کیمیائی استحکام کے مسائل اور دھاتی آئن ڈینڈرائٹس کے مسائل میں محفوظ انٹرفیس کو شامل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ ٹھوس الیکٹرولائٹس کی مقدار کے لحاظ سے مائع الیکٹرولائٹس سے کم آئن چالکتا ہوتی ہے۔ الیکٹرولائٹ الیکٹروڈ انٹرفیس پر مزاحمت کو بہتر بنانا بھی ضروری ہے۔
بیٹریوں کے لیے ٹھوس الیکٹرولائٹ کے لیے چیلنجز:
زیادہ فعال ماس کے ساتھ موٹے جامع مثبت الیکٹروڈ: سالڈ اسٹیٹ الیکٹرولائٹس کی اعلی آئنک چالکتا۔ آکسائڈ کے ساتھ مستحکم انٹرفیس اور الیکٹرانک طور پر کنڈکٹنگ ایڈیٹیو کے ساتھ کم ریڈوکس سرگرمی۔
پتلی کم ماس ٹھوس الیکٹرولائٹ جھلیوں میں اچھی میکانکی خصوصیات، لچک اور متحرک پریشر کنٹرول ہونا چاہیے۔
تمام SSB الیکٹرولائٹس اعلی آئنک چالکتا اور انوڈ اور کیتھوڈ کے درمیان بہترین استحکام کا بے مثال امتزاج پیش کرتے ہیں۔ اینوڈ کی مطابقت اس میں کلیدی حیثیت رکھتی ہے کیونکہ یہ دیگر روایتی لیتھیم آئن بیٹریوں کے مقابلے سیل کی سطح پر بنیادی فائدہ فراہم کرتی ہے۔
تین بڑے ٹھوس الیکٹرولائٹس ہیں:
پولیمر الیکٹرولائٹ : پولیمر الیکٹرولائٹ کا فائدہ سیل پروسیسبلٹی ہے۔ خامیاں دھات کے خلاف نسبتاً کمزور استحکام اور خاص طور پر کم درجہ حرارت پر نسبتاً کم چالکتا ہیں۔
کم آئنک چالکتا = آئنوں کی کم نقل و حمل = کم طاقت۔
آکسائیڈ الیکٹرولائٹ: وہ مثالی میکانکی خصوصیات کے مالک ہیں، بہت سخت ہیں، اور دھاتی انوڈ کے خلاف کیمیائی طور پر مستحکم ہیں۔ بڑی خرابیوں میں اس لحاظ سے کم درجے کی صلاحیتیں شامل ہیں کہ انہیں آکسائیڈ الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے کتنی جلدی خراب کیا جا سکتا ہے اور اس پر عمل کرنا مشکل ہے کیونکہ انہیں بہت زیادہ درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔ وہ اعلی تھرمل استحکام، نہ ہونے کے برابر سیل پروسیس ایبلٹی، نمی کے لیے حساس، اور چالکتا کے لحاظ سے معتدل ہیں۔ آکسائیڈ پر مبنی الیکٹرولائٹس عام طور پر کیمیاوی طور پر مستحکم ہوتی ہیں اور اعلی توانائی والے کیتھوڈ مواد کے ساتھ استعمال کی جا سکتی ہیں۔
تاہم، آئن چالکتا سلفائیڈ پر مبنی الیکٹرولائٹس سے کم ہے۔
پیرووسکائٹ کے ساتھ مواد (LLTO: Lithium Lanthanum Titanium Oxide)
گارنیٹ کا ڈھانچہ (LLZO، لتیم لینتھیم زرکونیم آکسائیڈ)، نیز NASICON (LAGP: Lithium Aluminium Germanium Phosphate)، آکسائیڈ پر مبنی الیکٹرولائٹس کے درمیان متاثر کن ہیں۔
سلفائیڈ الیکٹرولائٹ: وہ اس پولیمر اور ایک آکسائیڈ کے درمیان مکینیکل خصوصیات رکھتے ہیں۔ وہ کسی بھی الیکٹرولائٹ کلاس سے زیادہ کوندکٹو ہوتے ہیں۔ تمام ریکارڈ توڑنے والی الیکٹرولائٹس سلفائیڈ کلاس مواد سے آتی ہیں۔ وہ اعلی چالکتا، اعلی سیل پروسیسبلٹی، اور اعلی تھرمل صلاحیت کے مالک ہیں لیکن نمی کے لئے حساس ہیں. سلفائیڈ پر مبنی الیکٹرولائٹس میں عام طور پر آئنک چالکتا زیادہ ہوتی ہے، لیکن وہ کیمیائی طور پر زیادہ غیر مستحکم ہوتے ہیں۔
کمرے کے درجہ حرارت پر، بے ساختہ لتیم ٹن فاسفورس سلفائیڈ (LSPS) میں بہت زیادہ آئن چالکتا ہوتا ہے۔ دوسری طرف لتیم دھات کے ساتھ عدم مطابقت ایک تشویش کا باعث ہے۔
ایک مواد جو الیکٹرولائٹس کا تعین کرتا ہے اسے ایک اضافی کہا جاتا ہے۔ ایک اضافی مواد کی ایک چھوٹی سی مقدار ہے جو کیتھوڈ اور انوڈ سطحوں پر حفاظتی کوٹنگ بناتی ہے۔ یہ کیتھوڈ اور انوڈ کے درمیان لتیم آئنوں کے ہموار گزرنے کی سہولت فراہم کرکے بیٹری کے انحطاط کو روکتا ہے۔ میں
کیتھوڈ اور اینوڈ ایڈیٹوز دو قسم کے ایڈیٹیو ہیں۔ کیتھوڈ ایڈیٹوز کیتھوڈ کی ساخت کو مستحکم کرکے اور سطح کی حفاظت کرکے، زیادہ گرمی اور زیادہ چارجنگ کو ختم کرکے بیٹری کی عمر کو روکتے ہیں۔ اینوڈ ایڈیٹیو سالوینٹ سے زیادہ تیزی سے تحلیل ہوتے ہیں، انوڈ میں ایک مضبوط فلم بنتی ہے جو اس کی زندگی کو بڑھاتی ہے، زیادہ گرمی کو روکتی ہے، اور بیٹری کو چارج رکھتی ہے۔ additives اپنی زندگی کو بڑھا کر، اعلی درجہ حرارت کے مسائل کو بہتر بنا کر، اور مزاحمت کو کم کر کے مجموعی نظام میں اہم کردار ادا کرتے ہیں۔ میں
الگ کرنے والا ایک پتلی موصل جھلی ہے جس میں تقریباً چار خصوصیات ہیں جو کیتھوڈ اور انوڈ کو الگ رکھتی ہیں۔ دوسرا، جیسا کہ نام سے پتہ چلتا ہے، الگ کرنے والے کیتھوڈ اور اینوڈ کو بیٹری کے اندر رابطہ کرنے سے بچاتے ہیں۔
دوسرا، الگ کرنے والوں میں ذیلی مائکرون سائز کے سوراخ ہوتے ہیں جو کہ ننگی آنکھ سے نظر نہیں آتے، اور چھیدیں کیتھوڈ اور اینوڈ کے درمیان سے گزرنے کے لیے لیتھیم آئنوں کے لیے چینلز کا کام کرتی ہیں۔ چونکہ الگ کرنے والوں میں میکانکی استحکام اچھا ہوتا ہے، اس لیے ٹینسائل پراپرٹی ضمنی مصنوعات اور غیر ملکی مادوں کو باہر رکھتی ہے، حفاظت کو یقینی بناتی ہے۔ الیکٹرو کیمیکل طور پر مستحکم اور اعلی موصلیت والے مواد کو الگ کرنے والے کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ سمجھا جاتا ہے کہ الگ کرنے والے کیتھوڈ اور اینوڈ کے تعامل سے بچتے ہیں، اور اگر وہ بیٹری کے اندر لیتھیم آئنوں یا دیگر آئنوں میں مداخلت کرتے ہیں تو یہ بڑے مسائل کا باعث بنتے ہیں۔ اگر بیٹری کا درجہ حرارت ایک خاص حد سے زیادہ ہو جائے تو الگ کرنے والوں کو سوراخوں کو بند کر کے اور آئنوں کی نقل و حرکت کو روکنے کے ذریعے تحفظ کو یقینی بنانے کے قابل ہونا چاہیے۔
آخر میں، SSB الگ کرنے والے اتنے چھوٹے ہونے چاہئیں کہ زیادہ فعال مواد کو بیٹری میں شامل کیا جا سکے، توانائی کی کثافت میں اضافہ ہو۔ نقصان سے بچنے اور تحفظ کو یقینی بنانے کے لیے، ان کے پاس اعلی مکینیکل طاقت بھی ہونی چاہیے۔
ٹھوس الیکٹرولائٹ کی ضروریات
ٹھوس الیکٹرولائٹس کی خصوصیات کے مخصوص امتزاج کے ساتھ ٹھوس ریاست کی بیٹریوں کی تجارتی کاری کے لیے ضرورت ہوگی۔ ایک مناسب مائع الیکٹرولائٹ متبادل ہونے کے لیے، ٹھوس الیکٹرولائٹس میں 0.1 mS/cm سے زیادہ لیتھیم آئنک چالکتا ہونا ضروری ہے۔ یا تو الیکٹرولائٹ کو لتیم میں کمی کے لیے کیمیائی طور پر مستحکم ہونا چاہیے، یا ایک غیر فعال رد عمل کی تہہ بننا چاہیے۔ اندرونی خلیے کی مزاحمت کو کم رکھنے کے لیے، الیکٹرولائٹ کو کم مزاحمتی انٹرفیس بنانے کی ضرورت ہے۔
الکلی میٹل انٹرفیس پر، جہاں ماحول سے رد عمل ظاہر کرنے والی سبسٹریٹ پرتیں، کم آکسائیڈز، اور غیر ہم آہنگ گیلا ہونا سب سے کافی حد تک انٹرفیس کی مزاحمت کا باعث بن سکتا ہے، کم مزاحمت والے انٹرفیس کی تشکیل پیچیدگی میں اضافہ کرتی ہے۔، الیکٹرولائٹ کے پھیلاؤ سے بچنے کے لیے کافی طاقت اور فریکچر سختی ہونی چاہیے۔ الیکٹرولائٹ کے ذریعے لتیم فلامینٹس۔ انوڈ اور کیتھوڈ پوٹینشل دونوں پر، الیکٹرولائٹ کو مستحکم ہونا چاہیے۔
ٹھوس الیکٹرولائٹ فارم
چونکہ پولیمر ٹھوس الیکٹرولائٹس میں آئنک چالکتا کم ہوتی ہے، اس لیے وہ عام طور پر زیادہ درجہ حرارت (60°C–80°C) پر اعلیٰ آئنک ٹرانسپورٹ کا فائدہ حاصل کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ اگرچہ پولیمر کے ساتھ کام کرنا آسان ہے، لیکن ان کی مکینیکل خصوصیات لیتھیم میٹل اینوڈ کو مستحکم رکھنے کے لیے ناکافی ہیں۔
نتیجے کے طور پر، غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹس نے سب سے زیادہ شناخت حاصل کی ہے. ٹھوس سلفائیڈ الیکٹرولائٹس کی چالکتا تمام ٹھوس الیکٹرولائٹس میں سب سے مضبوط ہیں۔
اگرچہ بہت سے کیمسٹری ہیں، Li2 S-P2 S5 سسٹم سب سے زیادہ استعمال ہوتا ہے۔ Li2 S-P2 S5 فریم ورک میں، الیکٹرولائٹس شیشے دار، کرسٹل لائن یا جزوی طور پر کرسٹل ہو سکتے ہیں۔ Li2 S-P2 S5 الیکٹرولائٹس جو ڈوپ نہیں ہیں لیتھیم کے ساتھ کم الیکٹرو کیمیکل استحکام ہے، جبکہ ڈوپڈ ورژن میں استحکام بہتر ہوا ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت پر یا 400 ° C سے کم، سلفائیڈ الیکٹرولائٹس کی لچکدار نوعیت انہیں ذرات کے درمیان اچھے الیکٹرو کیمیکل برجنگ کے ساتھ کمپیکٹس میں سکیڑنے کی اجازت دیتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، سلفائیڈ الیکٹرولائٹس عمل کرنے کے لیے سب سے آسان غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹس ہیں۔
تاہم، ہوا میں پانی کے بخارات کے ساتھ رد عمل کچھ سلفائیڈ الیکٹرولائٹ کمپوزیشنز، H2 S کو جاری کرنے اور الیکٹرولائٹ کو کم کرنے کے ساتھ ایک مسئلہ ہو سکتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، وہ عام طور پر آرگن یا کم نمی والے خشک کمرے کے ماحول میں پروسیس ہوتے ہیں۔
آکسائیڈ پر مبنی ٹھوس الیکٹرولائٹس غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹ کی دوسری شکل ہیں۔ کچھ مختلف شکلیں ہیں، لیکن گارنیٹ Li7 La3 Zr2 O12 سب سے عام ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت پر، ٹھوس آکسائیڈ الیکٹرولائٹس میں مضبوط آئنک چالکتا، وسیع ترین الیکٹرو کیمیکل رینج، اور لتیم کے خلاف زیادہ سے زیادہ کیمیائی استحکام ہوتا ہے۔ مزید برآں، آکسائیڈ مواد میں کسی بھی ٹھوس الیکٹرولائٹ کی سب سے زیادہ لچکدار ماڈیولی اور فریکچر سختی ہوتی ہے، جو انہیں لتیم میٹل اینوڈ کے جسمانی استحکام اور طویل مدتی سیل کی زندگی کے لیے مثالی بناتی ہے۔ الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کا بہترین مرکب ہونے کے باوجود، اعلی آئنک چالکتا کے ساتھ گھنے الیکٹرولائٹس کو 1,000 ° C – 1,300 ° C کے سنٹرنگ درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔
ٹھوس الیکٹرولائٹس میں ڈینڈرائٹ یا لیتھیم فلیمینٹ کی نشوونما کے خلاف مزاحمت موجودہ کثافت یا الیکٹرولائٹ کراس سیکشنل خطے کے ذریعہ تقسیم کردہ کل سیل کرنٹ سے منسلک ہوتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، سیل ایک اہم موجودہ کثافت (CCD) پر ناکام ہو سکتا ہے جب لتیم دھات سیل میں گھس جاتی ہے۔ اس اہم قدر کے تحت موجودہ کثافت پر مستحکم چارجنگ ممکن ہے۔ ٹھوس الیکٹرولائٹ کے دونوں طرف لیتھیم الیکٹروڈ کے ساتھ غیر متناسب خلیوں میں لیتھیم کی مسلسل کرنٹ چڑھانا ایک معیاری CCD امتحان ہے۔
LGPS سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ کی تیاری میں، مواد کی ساخت کا تجزیہ نیوٹران بیم سے کیا گیا۔ محققین ٹھوس موصل کی سالماتی ساخت کے اندر آئنوں کی لکیری حرکت کا مشاہدہ کرنے کے قابل تھے۔ اس کے 3D ڈھانچے کے اندر ایک سرنگ کا مشاہدہ کیا جاتا ہے۔ اس سرنگ کے اندر لیتھیم آئنوں کی حرکت دیکھی گئی۔ اس اشارے کے ساتھ، محققین ایل جی پی ایس میں تھوڑی مقدار میں کلورین شامل کرکے دو نئے مواد تیار کرتے ہوئے مواد کی آئنک چالکتا اور استحکام میں بہتری لانے میں کامیاب ہوئے۔ ان مواد نے دنیا کے سب سے زیادہ آئنک کنڈکٹر کی کارکردگی کی نمائش کی۔
ان مواد کا تجزیہ مٹیریل ڈیزائن ڈفریکٹومیٹر سے کیا گیا۔ نتائج نے ایک جدید ڈھانچہ دکھایا جس نے آئنوں کو صرف ایک کے بجائے تین جہتوں میں منتقل کرنے کی اجازت دی۔ یہی چیز ہے جس نے مواد کی اعلیٰ ترین کارکردگی کو ممکن بنایا۔ نئی نسل کے خلیوں کی ایک وسیع رینج میں جو تیار کیے گئے ہیں، یہ مواد تمام SSB میں استعمال کے لیے مضبوط الیکٹرولائٹس بن گئے۔
لیتھیم آئن بیٹریوں کے مقابلے میں یہ SSB قدرے زیادہ توانائی کی کثافت اور زیادہ پاور آؤٹ پٹ رکھتے ہیں۔ اس طرح، تمام SSB کی خوبیوں کو کمپیکٹ، اعلیٰ صلاحیت والی بیٹریاں رکھنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے جو مختصر مدت میں دوبارہ چارج کی جا سکتی ہیں۔ الیکٹرولائٹ مواد کی سرشار تحقیق اور جوہری تجزیہ کی سطح کی پیداوار کے طور پر، یہ نئے تمام SSB بیٹریوں کی نئی نسل کا باعث بن سکتے ہیں۔
لتیم آئن سالڈ سٹیٹ بیٹری میں، جیسے جیسے بیٹری چارج ہوتی ہے، لیتھیم ایک غیر پورس سالڈ سٹیٹ سیرامک سیپریٹر کی ایٹم جالی کے ذریعے سفر چھوڑ دیتا ہے۔ ایک بار جب لتیم صحیح معنوں میں الگ ہوجاتا ہے تو یہ الگ کرنے والے اور برقی رابطے کے درمیان جمع ہوجاتا ہے جو خالص دھاتی لتیم کا ایک انوڈ بناتا ہے۔ لتیم میٹل اینوڈ کے لیے ٹھوس اسٹیٹ بیٹری کی توانائی کو چھوٹے توانائی کے حجم میں ذخیرہ کرنے کی اجازت دیتا ہے جس سے روایتی لتیم آئن بیٹریوں کے مقابلے میں توانائی کی کثافت زیادہ ہوتی ہے۔ سالڈ سٹیٹ لیتھیم میٹل بیٹریاں پندرہ منٹ کے تیز چارج کی اعلی توانائی کی کثافت اور نامیاتی پولیمر جداکار کو ختم کر کے محفوظ آپریشن کی اجازت دیتی ہیں۔
ہائی انرجی لیتھیم آئن بیٹری:
- اعلی توانائی والے مواد کا استعمال
- نکل سے بھرپور NMC یا NCA کیتھوڈس، جب سلکان کمپوزٹ اینوڈ کے ساتھ ملتے ہیں، تو وہ اعلیٰ گریوی میٹرک اور والیومیٹرک توانائی کی کثافت پیش کرتے ہیں۔
- مینوفیکچرنگ کے مقاصد کے لیے لاگت میں کمی متوقع ہے۔
- پیداواری عمل میں صرف معمولی تبدیلیوں کی ضرورت ہے۔
سالڈ اسٹیٹ لتیم بیٹری
لتیم سلفر بیٹری:
- خارج ہونے پر، لیتھیم سلفر کے ساتھ کیتھوڈ پر رد عمل ظاہر کر کے لیتھیم سلفائیڈز بناتا ہے۔
- سلفر، ایک وسیع اور سرمایہ کاری مؤثر مواد کے طور پر، کم لاگت والے بیٹری سیل پیش کرتا ہے۔
- سائیکل اور زندگی کے حوالے سے غیر یقینی صورتحال، اور ایک اعلی درجہ حرارت کی حساسیت، مارکیٹ کے حصے کی ترقی کو ناکام بنا رہی ہے۔
- فی الحال، والیومیٹرک توانائی کی کثافت آٹوموبائل کے استعمال کے لیے بہت ناقص ہے۔
لتیم ایئر بیٹری:
- لتیم کو خارج ہونے پر کیتھوڈ کی طرف آکسیجن کے ساتھ آکسائڈائز کیا جاتا ہے، جس کے نتیجے میں لتیم پیرو آکسائیڈ اور لتیم آکسائیڈ بنتا ہے۔
- اعلی توانائی کی کثافت اور محیطی ہوا کا استعمال تکنیکی طور پر ممکن ہے۔
- سائیکل کے استحکام میں بہت بڑی رکاوٹیں، جو اگلی دہائی میں کار کی درخواست کو ناممکن بناتی ہیں۔
تمام SSB کی فعالیت اور ڈیزائن
- ایک آئن پارگمیبل ٹھوس الیکٹرولائٹ ایک الگ کرنے والے کے طور پر کام کرتا ہے اور تمام SSB کے کیتھوڈ اور انوڈ کے درمیان مقامی اور برقی علیحدگی فراہم کرتا ہے۔
- منتخب کرنے کے لیے مختلف قسم کے سیل ڈیزائن ہیں۔ اوپر دیے گئے خاکے میں ایک پتلی فلم سیل کو دکھایا گیا ہے۔ موٹی تہوں کو بنانے کے لیے ایک جامع کیتھوڈ استعمال کیا جا سکتا ہے۔
- لتیم آئن انوڈ سے ٹھوس الیکٹرولائٹ کے ذریعے کیتھوڈ تک جاتے ہیں جب تمام SSB خارج ہوتا ہے۔ ایک ہی وقت میں بیرونی بوجھ پر ایک طاقت بہتی ہے۔
- اینوڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس میں مزاحمت بیٹری سیل کی کارکردگی میں ایک اہم عنصر ہے۔ اس کو کم کرنے کے لیے ایک بیرونی شیٹ، جیسے ربڑ یا ایلومینیم کا مرکب استعمال کیا جا سکتا ہے۔
- بائپولر اسٹیکنگ مضبوط الیکٹرولائٹ کی وجہ سے ممکن ہے۔ اس کے نتیجے میں، ابتدائی خلیات سلسلہ وار جڑے ہوئے ہیں۔
ٹھوس حالت کی بیٹریاں کس چیز سے بنی ہیں؟
سالڈ سٹیٹ بیٹری مواد:
انوڈ:
زیادہ سے زیادہ توانائی کی کثافت حاصل کرنے کے لیے ان کی نظریاتی صلاحیت کی وجہ سے، لتیم دھاتی انوڈس کو مثالی سمجھا جاتا ہے۔ دوسری طرف مضبوط الیکٹرولائٹ کو دھاتی لتیم کو ڈینڈرائٹس بننے سے روکنا چاہیے۔ مزید برآں، چونکہ لتیم ماحولیاتی آکسیجن کے ساتھ ایک غیر فعال تہہ بناتا ہے، لہٰذا ایک غیر فعال ماحول کے تحت سنبھالنے کی ضرورت ہے۔
سلیکون بطور اینوڈ مواد بہت زیادہ توانائی کی کثافت پیش کرتا ہے، لیکن جب اسے لتیم کے ساتھ ملایا جاتا ہے تو یہ حجم میں بہت زیادہ تبدیلیوں سے گزرتا ہے۔
کیتھوڈ:
دھاتی آکسائڈ کیتھوڈ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے. چونکہ بہت کم مواد ہیں جو خاص طور پر تمام SSB کے لیے ڈیزائن کیے گئے ہیں، اس لیے زیادہ تر معاملات میں موجودہ کیتھوڈ مواد استعمال کیے جاتے ہیں۔
اصولی طور پر، الیکٹرولائٹ کی بنیاد پر ثابت شدہ کیتھوڈ مواد کی وسیع اقسام استعمال کی جا سکتی ہیں، جو سستے اور محفوظ مواد جیسے لیتھیم آئرن فاسفیٹ (LFP) سے لے کر لیتھیم نکل مینگنیج کوبالٹ آکسائیڈ (NMC) تک مختلف ہوتی ہیں۔ صرف لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ (LCO) بطور کیتھوڈ مواد اور LLZO بطور الیکٹرولائٹ عملی طور پر کافی استحکام اور کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں۔
تمام ٹھوس حالت کی بیٹری کی تیاری کا عمل
- الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ پروسیسنگ، سیل اسمبلی، اور سیل فنشنگ تمام SSB کی تیاری میں تین بڑے اقدامات ہیں۔
- کوئی عالمی طور پر حقیقی عمل کا سلسلہ نہیں ہے۔ متبادل طور پر، ممکنہ عمل کی زنجیروں کی ایک وسیع تعداد استعمال کی جا سکتی ہے۔ یہ لتیم آئن بیٹری کی پیداوار کے عمل سے کئی طریقوں سے مختلف ہوتے ہیں۔
- یہ طریقہ بنیادی طور پر الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ آؤٹ پٹ کے لحاظ سے دو مختلف عمل کے انتخاب کا موازنہ اور تضاد کرتا ہے۔
الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ
پیداوار —- سیل اسمبلی—— سیل فنشنگ
عمل اے
عمل بی
غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹس کے ساتھ خندق خلیوں کی ترکیب دونوں عمل کے اختیارات کا موضوع ہے۔ آل سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے لیے، پاؤچ سیل فارمیٹ سب سے زیادہ مناسب ہوتا ہے۔
ایک پرزمیٹک یا گول سیل:
آل سالڈ سٹیٹ بیٹری کے ٹھوس اجزاء کی وجہ سے، وائنڈنگز کو بڑے چیلنجز کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ سرامک پرتیں جو ٹوٹنے والی ہیں دراڑیں پیدا کر سکتی ہیں۔ مزید برآں، مناسب پرت آسنجن کا مسئلہ ابھی حل ہونا باقی ہے۔
پاؤچ سیل:
آل سالڈ سٹیٹ بیٹریاں اسٹیکنگ سے فائدہ اٹھاتی ہیں کیونکہ فلیٹ پرتیں درست نہیں ہوتی ہیں۔ مزید برآں، پرت کا مرکب الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ پروسیسنگ کے دوران تیار کیا جاتا ہے، جس سے بعد میں صرف بنیادی خلیات کو اسٹیک کیا جا سکتا ہے۔
ماحول میں مواد کی رد عمل کی وجہ سے مینوفیکچرنگ کے عمل کے لیے ایک خشک کمرے کی ضرورت ہوتی ہے۔ دھاتی لتیم کے ساتھ کام کرتے وقت، ایک غیر فعال گیس، جیسے آرگن، کی سفارش کی جاتی ہے.
لیتھیم آئن بیٹری سیلز کی نشوونما میں حاصل کی گئی مہارت کے قابل اطلاق کا ایک جامع جائزہ ہر عمل کے مرحلے کے لیے کیا جاتا ہے۔
عمل A کے ذریعے الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کی پیداوار:
- کیتھوڈ، الیکٹرولائٹ اور انوڈ کا مرکب الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ پروسیسنگ میں بنتا ہے۔
- الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کی نشوونما کے بعد ایک ابتدائی سیل موجود ہے۔
- پہلی پروسیس چین کی اہم خصوصیت، پروسیس چین اے، ایک مسلسل اخراج کا عمل ہے جس میں پرتیں بنتی ہیں اور پھر پرتدار ہوتی ہیں۔
- یہ عمل کا سلسلہ خاص طور پر سلفائیڈ پر مبنی تمام ٹھوس ریاستی مواد کے لیے موزوں ہے۔
کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ کی پیداوار (کمپاؤنڈنگ):
- پیداوار کا طریقہ
- دو مختلف مرکب سازی کی صنعتیں کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ پگھلنے کو استعمال کرتی ہیں۔
- مواد کے اجزاء کو جڑواں سکرو ایکسٹروڈر کے گرم بیرل میں کھلایا جاتا ہے اور اسے دانے دار یا پاؤڈر کے طور پر فراہم کیا جا سکتا ہے۔
- ایکسٹروڈر کی گردشی حرکات مادی اجزاء میں توانائی لے جاتی ہیں۔ نتیجے کے طور پر، پگھل یکساں ہے.
- الیکٹرولائٹ ذرات، جو کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان مزاحمت کو کم کرتے ہیں، نیز بائنڈر اور ایڈیٹیو، کیتھوڈ فعال مواد کے ساتھ مل جاتے ہیں۔
- الیکٹرولائٹ مالیکیولز اور پولیمر بائنڈر الیکٹرولائٹ کے دو مادی عناصر ہیں۔
عمل کے پیرامیٹرز اور شرائط:
- فراہم کیے جانے والے انفرادی مواد کی مقدار
- سلنڈر میں درجہ حرارت اور دباؤ
- ایکسٹروڈر کی شرح اور دباؤ
- قینچ کی طاقت
معیار کی خصوصیات:
- پگھل کی یکسانیت
- پگھلنے کی viscosity
- یکجا پیمانہ اور مقدار
ٹیکنالوجی کے متبادل:
- اعلی کارکردگی کا مکسنگ پلانٹ
کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ کی پیداوار (شریک اخراج):
- پیداوار کا طریقہ
- ایک مناسب ڈائی میں، کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ پگھل جاتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ پرت کا امتزاج ہوتا ہے۔
- علیحدہ چینلز کیتھوڈ کو کھانا کھلاتے ہیں، اور الیکٹرولائٹ اخراج کے ذریعے پگھل جاتا ہے۔
- پگھلنے والے چینلز کے ذریعے اخراج ڈائی کے آؤٹ لیٹ تک سفر کرتے ہیں۔ ایک سلاٹ ڈائی کا استعمال کرتے ہوئے پگھلنے والے موجودہ کنڈکٹر پر نکالے جاتے ہیں۔
عمل پیرامیٹر اور ضروریات:
- پرت کی موٹائی کو ایڈجسٹ کرنا
- پگھل فیڈ کی شرح
- درجہ حرارت
- دباؤ
- رول کی رفتار
- کیلنڈر رول کا دبانے والا دباؤ
معیار کی خصوصیات:
- کوٹنگ کی موٹائی
- پرت کی چوڑائی
- تہوں کے درمیان چپکنا
ٹیکنالوجی کے متبادل:
- سکرین پرنٹنگ
ورق کاسٹنگ
انوڈ کی پیداوار (اخراج اور کیلنڈرنگ):
- ایک تمام SSB انوڈ دھاتی لتیم ورق سے بنایا جا سکتا ہے۔ اس لتیم فلم کو بنانے کے لیے بعد میں کیلنڈرنگ کے ساتھ اخراج کا استعمال کیا جا سکتا ہے۔
- اس مقصد کے لیے پسٹن ایکسٹروڈر کے سلنڈر میں مائع لتیم ڈالا جاتا ہے۔ اس کے بعد لتیم کو پسٹن کے ذریعے نوزل میں نچوڑا جاتا ہے۔
- اخراج کے بعد کیلنڈرنگ یکسانیت اور آپٹیکل فلم کی موٹائی کو یقینی بناتی ہے۔ اس وجہ سے ایک چکنا کرنے والے کی درخواست کے ساتھ فلم کو دو رولرس کے ذریعہ تناؤ میں گھمایا جاتا ہے۔
- رولرس کو لتیم کے چپکنے کے ساتھ کام کرنے کے قابل ہونا چاہئے۔ پولیمر لیپت رولر، جیسے کہ پولی ایسٹل سے بنے ہیں، اس کو پورا کریں گے۔
عمل کے پیرامیٹرز اور ضروریات:
- اخراج کی رفتار
- درجہ حرارت
- نوزل جیومیٹری
- کیلنڈر رولز کا دباؤ
- چکنا کرنے والے کی سپلائی کی رفتار
- رول کی رفتار
معیار کی خصوصیات:
- فلم کی موٹائی
- ورق کی چوڑائی
- لتیم ورق کی یکسانیت
ٹیکنالوجی کے متبادل:
- جوہری تہہ جمع
پی وی ڈی عمل
پرت کمپاؤنڈ کی پیداوار (لیمینیٹنگ):
- لتیم ورق کو پروسیس ہونے کے بعد کیتھوڈ الیکٹرولائٹ کمپوزٹ پر لیمینیٹ کیا جاتا ہے۔ اس کام کے لیے رولرس کا استعمال کرتے ہوئے دو تہوں کو ایک ساتھ رکھا گیا ہے۔
- اگلے مرحلے میں دو پرتوں کو ایک ساتھ زبردستی کرنے کے لیے دو رولرس استعمال کیے جاتے ہیں۔ زیادہ سے زیادہ آسنجن قوتوں کو حاصل کرنے کے لیے، ان کو گرم کیا جاتا ہے۔ پولیمر حرارتی اور دبانے کے دوران ایک تہہ سے دوسری پرت میں گھس جاتے ہیں، انوڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان ربط پیدا کرتے ہیں۔
- الفاظ "خشک” اور "گیلے” لیمینیشن میں فرق کیا جا سکتا ہے۔ لیمینیشن تک، گیلی لیمینیشن رابطہ کی سطحوں کو سالوینٹس سے نم کرتی ہے۔ یہ کم درجہ حرارت اور کم پریشر لیمینیشن کی سہولت فراہم کرتا ہے۔
پیرامیٹرز اور عمل کی ضروریات:
- تہوں کی خوراک کی رفتار
- رول کی رفتار
- دباؤ
- تہوں کی اختیاری ہیٹنگ
معیار کی خصوصیات:
- تہوں کے درمیان چپکنا
- مطلوبہ جامع موٹائی
- جامع کی جیومیٹری
ٹیکنالوجی کے متبادل:
- دبانے اور بعد میں sintering
الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کی پیداوار کا عمل B
- جسمانی بخارات جمع کرنے (PVD) کا عمل، جس میں انفرادی تہوں کو یکے بعد دیگرے شامل کیا جاتا ہے، ذیل میں دکھایا گیا طریقہ کار چین B کی اہم خصوصیت ہے۔
- یہ موجودہ عمل، جو ایک پتلی فلم کی بیٹری کے مینوفیکچرنگ کے مراحل کو ظاہر کرتا ہے، خاص طور پر آکسائیڈ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے لیے موزوں ہے ۔
مواد کی تیاری (پیسنا اور مکس کرنا):
- تیاری کا طریقہ کار
- کیتھوڈ پاؤڈر کو الیکٹرولائٹ پاؤڈر سے الگ کرنے کے لیے بال مل کا استعمال کیا جاتا ہے۔
- اس کام کے لیے خام مال کو ایک بیلناکار پیسنے والے ڈرم میں رکھا جاتا ہے۔ اس پیسنے والے ڈرم میں گیندوں کو پیسنے والے میڈیا کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔
- سلنڈر کی گردشی حرکات ابتدائی مواد کو یکجا کرتی ہیں۔ مزید برآں، گھومنے والی حرکت اس بات کو یقینی بناتی ہے کہ پیسنے والا میڈیا اور شروع ہونے والا مواد ایک دوسرے کے مقابلے میں شفٹ ہو جائے جب مؤخر الذکر گراؤنڈ ہو۔
- اس کے بعد، پاؤڈر کو مطلوبہ پاؤڈر کی خصوصیات کو حاصل کرنے کے لئے کیلکائن کیا جاتا ہے.
عمل کے تقاضے اور پیرامیٹرز:
- گیند کا مواد
- رفتار
- پیسنے کا وقت
- سلنڈر مواد
- شروع ہونے والے مواد کی مقدار
معیار کی خصوصیات:
- پاؤڈر پارٹیکل کا اوسط سائز
- پاؤڈر کی یکسانیت (مکسنگ کی ڈگری)
ٹیکنالوجی کے متبادل:
- سول جیل کا عمل
پرت کمپاؤنڈ کی پیداوار (اعلی تعدد اسپٹرنگ):
بنانے کا عمل:
- کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ پاؤڈرز سے کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ تہوں کو بنانے کے لیے ہائی فریکوئنسی سپٹرنگ کا استعمال کیا جاتا ہے۔ پھٹنے کے عمل کا مقصد سب سے پہلے ڈائی یا ہاٹ پریسنگ سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے پاؤڈر سے بنایا جاتا ہے۔
- موجودہ کلکٹر بھی عمل کے ذیلی حصے کے طور پر کام کرتا ہے۔ کیتھوڈ کی تہہ پہلے مرحلے میں جمع کی جاتی ہے۔ اس کے بعد کیتھوڈ پرت کے اوپر ایک الیکٹرولائٹ پرت رکھی جاتی ہے۔
- آئنوں کا مقصد سپٹرنگ آپریشن کا ہدف ہے۔ اس مرحلے میں ایٹم ہدف سے باہر ہو جاتے ہیں، جو پھر گیس کے مرحلے تک پہنچ کر سبسٹریٹ کی طرف بڑھتے ہیں۔ اس لیے تہہ کو سبسٹریٹ کی سطح پر ایٹم کے ذریعے ایٹم تیار کیا جاتا ہے۔
- ایک ویکیوم چیمبر ہائی فریکوئنسی سپٹرنگ کے لیے استعمال ہوتا ہے۔
عمل کے تقاضے اور پیرامیٹرز:
- درجہ حرارت
- جمع کرنے کا وقت
- عمل کا دباؤ
- محیطی ماحول
- عمل کی طاقت/طاقت کی کثافت
- ہدف کا قطر اور ہدف کا فاصلہ
معیار کی خصوصیات:
- موجودہ کلیکٹر کی پرت کی موٹائی
- کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ کی پرت کی موٹائی
ٹیکنالوجی کے متبادل:
- کیمیائی بخارات کا ذخیرہ
پرت مرکب جمع (سنٹرنگ)
بنانے کا عمل:
- کیتھوڈ اور الیکٹرولائٹ پرتیں سنٹرنگ کے دوران سکیڑ جاتی ہیں۔ دو تہوں کے درمیان بانڈ کو بڑھا کر، انٹرفیس الیکٹرولائٹ – الیکٹروڈ پر مزاحمت کو کم کیا جا سکتا ہے۔
- کیتھوڈ الیکٹرولائٹ کمپاؤنڈ کو سنٹر کرنے کے لیے ایک سنٹرنگ فرنس کا استعمال کیا جاتا ہے۔ مادہ کو اس کے پگھلنے کے نقطہ سے بالکل نیچے تک گرم کیا جاتا ہے۔
- مواد کی نتیجہ خیزی کو منتخب کردہ عمل کے پیرامیٹرز کی بنیاد پر تبدیل کیا جا سکتا ہے۔
- ماحول کے ساتھ رد عمل سے بچنے کے لیے، sintering کا عمل ایک غیر فعال ماحول یا خلا میں ہوتا ہے۔
- سنٹرنگ خاص طور پر آکسائیڈ پر مبنی ٹھوس الیکٹرولائٹس کے لیے بہت اہم ہے تاکہ کم انٹرفیشل رواداری حاصل کی جا سکے۔
پرت مرکب پیداوار (تھرمل بخارات):
پیداوار کا عمل:
- انوڈ کو تھرمل بخارات کا استعمال کرتے ہوئے کیتھوڈ-الیکٹرولائٹ کمپاؤنڈ پر لاگو کیا جا سکتا ہے۔ انوڈ کا مواد دھاتی لتیم سے بنا ہے۔
- حرارتی بخارات کے لیے دھاتی لتیم کو ابلتے نقطہ سے اوپر کے درجہ حرارت پر گرم کرنے کی ضرورت ہوتی ہے، جیسے کہ الیکٹران بیم کے بخارات سے، تاکہ یہ بخارات کے مرحلے تک پہنچ سکے۔ ویکیوم چیمبر میں بھاپ یکساں طور پر پھیلتی ہے۔
- گاڑھا ہونا الیکٹرولائٹ کی کم درجہ حرارت کی سطح پر کوٹنگ بناتا ہے۔
- تھرمل وانپیکرن ویکیوم چیمبر میں ہوتا ہے، جس کا موازنہ تھوکنے سے ہوتا ہے۔
