ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियां उद्योग का चलन क्यों हैं?
उच्च सुरक्षा:
तरल बैटरियों के सुरक्षा मुद्दों की हमेशा आलोचना की गई है। उच्च तापमान या गंभीर प्रभाव के तहत इलेक्ट्रोलाइट आसानी से ज्वलनशील होता है। उच्च धारा के तहत, लिथियम डेंड्राइट भी विभाजक को छेदते हुए दिखाई देंगे और शॉर्ट सर्किट का कारण बनेंगे। कभी-कभी इलेक्ट्रोलाइट प्रतिकूल प्रतिक्रिया से गुजर सकता है या उच्च तापमान पर विघटित हो सकता है। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तापीय स्थिरता केवल 100 डिग्री तक ही बनाए रखी जा सकती है, जबकि ऑक्साइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स 800 डिग्री तक पहुंच सकते हैं, और सल्फाइड और हैलाइड भी 400 डिग्री तक पहुंच सकते हैं। ठोस ऑक्साइड तरल पदार्थों की तुलना में अधिक स्थिर होते हैं, और उनके ठोस रूप के कारण, उनका प्रभाव प्रतिरोध तरल पदार्थों की तुलना में बहुत अधिक होता है। इसलिए, सॉलिड-स्टेट बैटरियां लोगों की सुरक्षा संबंधी जरूरतों को पूरा कर सकती हैं।
उच्च ऊर्जा घनत्व:
वर्तमान में, सॉलिड-स्टेट बैटरियों ने तरल बैटरियों से अधिक ऊर्जा घनत्व हासिल नहीं किया है, लेकिन सैद्धांतिक रूप से सॉलिड-स्टेट बैटरियां बहुत उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त कर सकती हैं। तरल बैटरियों की तरह रिसाव को रोकने के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरियों को तरल में लपेटने की आवश्यकता नहीं होती है। इसलिए, अनावश्यक गोले, रैपिंग फिल्म, गर्मी अपव्यय सामग्री आदि को समाप्त किया जा सकता है, और ऊर्जा घनत्व में काफी सुधार किया जा सकता है।
उच्च शक्ति:
तरल बैटरियों में लिथियम आयन चालन द्वारा संचालित होते हैं, जबकि ठोस अवस्था वाली बैटरियों में लिथियम आयन जंप चालन द्वारा होते हैं, जो तेज होता है और इसमें चार्ज और डिस्चार्ज दर अधिक होती है। लिक्विड बैटरी तकनीक में फास्ट चार्जिंग हमेशा एक कठिनाई रही है, क्योंकि चार्जिंग गति बहुत तेज होने पर लिथियम अवक्षेपित हो जाएगा, लेकिन यह समस्या सभी सॉलिड-स्टेट बैटरियों में मौजूद नहीं है।
निम्न तापमान प्रदर्शन:
तरल बैटरियां आम तौर पर -10 डिग्री से 45 डिग्री पर स्थिर रूप से काम करती हैं, लेकिन सर्दियों में उनकी क्रूज़िंग रेंज गंभीर रूप से कम हो जाती है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का ऑपरेटिंग तापमान -30 डिग्री और 100 डिग्री के बीच होता है, इसलिए अत्यधिक ठंडे क्षेत्रों को छोड़कर बैटरी जीवन में कोई कमी नहीं होगी, और किसी जटिल थर्मल प्रबंधन प्रणाली की आवश्यकता नहीं है।
लंबा जीवनकाल:
तरल बैटरियों में, टर्नरी बैटरियों का औसत जीवन 500-1000 चक्र है, और लिथियम आयरन फॉस्फेट का जीवन 2000 चक्र तक पहुंच सकता है। पतली फिल्म पूर्ण-ठोस अवस्था भविष्य में 45,{7}} चक्रों तक पहुंच सकती है, और प्रयोगशाला में 5C जीवन काल 10,000 गुना तक पहुंच सकता है। जब समान ऊर्जा घनत्व की उत्पादन लागत को एकत्रित किया जा सकता है, तो सॉलिड-स्टेट बैटरियों की लागत-प्रभावशीलता अद्वितीय होती है।
4 ठोस अकार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना
ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के भौतिक प्रकारों को चार श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: ऑक्साइड, सल्फाइड, पॉलिमर और हैलाइड। इन चार प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट्स में से प्रत्येक में अलग-अलग भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं, जो अनुसंधान एवं विकास, उत्पादन और औद्योगीकरण की कठिनाई और इसकी भविष्य की बाजार स्थिति को निर्धारित करते हैं।
ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स:
लाभ: आयनिक चालकता मध्य में है, और इसमें सर्वोत्तम विद्युत रासायनिक स्थिरता, यांत्रिक स्थिरता और थर्मल स्थिरता है। इसे उच्च-वोल्टेज कैथोड सामग्री और धातु लिथियम एनोड के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक चालकता और आयन चयनात्मकता। साथ ही, उपकरण की निरंतरता और विनिर्माण लागत की डिग्री के भी बड़े फायदे हैं। व्यापक क्षमता सबसे व्यापक है.
नुकसान: कमी स्थिरता थोड़ी कम, भंगुर है, और दरारें पैदा कर सकती है।
ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च यांत्रिक शक्ति, अच्छी थर्मल और वायु स्थिरता और विस्तृत इलेक्ट्रोकेमिकल खिड़कियां होती हैं। ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स को क्रिस्टलीय और अनाकार अवस्था में विभाजित किया जा सकता है। सामान्य क्रिस्टलीय ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स में पेरोव्स्काइट प्रकार, LISICON प्रकार, NASICON प्रकार और गार्नेट प्रकार शामिल हैं। ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स उच्च वोल्टेज का सामना कर सकते हैं, उच्च अपघटन तापमान रखते हैं, और अच्छी यांत्रिक शक्ति रखते हैं। हालाँकि, इसकी कमरे के तापमान पर आयनिक चालकता कम है (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm), जो बैटरी के वॉल्यूम ऊर्जा घनत्व को बहुत कम कर देता है। तत्व डोपिंग और अनाज सीमा संशोधन के माध्यम से, ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स की कमरे के तापमान की चालकता को 10-3 एस/सेमी के क्रम तक बढ़ाया जा सकता है। क्रिस्टल की मात्रा को नियंत्रित करने और पॉलिमर कोटिंग्स जोड़ने से ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच इंटरफेशियल संपर्क में सुधार हो सकता है। अल्ट्राथिन ठोस इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली का उत्पादन समाधान/स्लरी कोटिंग विधियों द्वारा किया जा सकता है।
सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट:
लाभ: उच्चतम आयन चालकता, छोटे अनाज सीमा प्रतिरोध, अच्छी लचीलापन, और अच्छी आयन चयनात्मकता।
नुकसान: खराब रासायनिक स्थिरता, लिथियम धातु के साथ प्रतिक्रिया करेगा, और नम हवा के साथ आसानी से प्रतिक्रिया करेगा। लागत अधिक है और यांत्रिक गुण ख़राब हैं। वर्तमान में, उत्पादन को अभी भी दस्ताने बॉक्स में करने की आवश्यकता है, जिससे बड़े पैमाने पर बड़े पैमाने पर उत्पादन करना मुश्किल हो जाता है।
सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च कमरे के तापमान की चालकता और अच्छी लचीलापन होती है, और डोपिंग और कोटिंग के माध्यम से उनकी स्थिरता में सुधार किया जा सकता है। सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स वर्तमान में तीन मुख्य रूपों में आते हैं: ग्लास, ग्लास-सिरेमिक और क्रिस्टल। सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च कमरे के तापमान की चालकता होती है, जो तरल इलेक्ट्रोलाइट्स (10-4-10-2 एस/सेमी) के करीब हो सकती है, मध्यम कठोरता, अच्छा इंटरफ़ेस भौतिक संपर्क और अच्छे यांत्रिक गुण होते हैं। वे सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए महत्वपूर्ण उम्मीदवार सामग्री हैं। हालाँकि, सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स में एक संकीर्ण इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो होती है, सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के साथ खराब इंटरफ़ेस स्थिरता होती है, और नमी के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। यह हवा में पानी की थोड़ी मात्रा के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है और जहरीली हाइड्रोजन सल्फाइड गैस छोड़ सकता है। उत्पादन, परिवहन और प्रसंस्करण की पर्यावरणीय आवश्यकताएँ बहुत अधिक हैं। डोपिंग और कोटिंग जैसी संशोधन विधियां सल्फाइड और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच इंटरफेस को स्थिर कर सकती हैं, जिससे वे विभिन्न प्रकार के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों के लिए उपयुक्त हो जाते हैं, और यहां तक कि लिथियम-सल्फर बैटरी में भी उपयोग किए जाते हैं।
सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों की तैयारी में उच्च पर्यावरणीय आवश्यकताएं होती हैं। सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च चालकता होती है और ये अपेक्षाकृत नरम होते हैं, और इन्हें कोटिंग विधियों द्वारा उत्पादित किया जा सकता है। उत्पादन प्रक्रिया मौजूदा तरल बैटरी उत्पादन प्रक्रिया से बहुत अलग नहीं है, लेकिन बैटरी के इंटरफ़ेस संपर्क को बेहतर बनाने के लिए, आमतौर पर कोटिंग के बाद कई गर्म दबाव डालना और इंटरफ़ेस संपर्क को बेहतर बनाने के लिए एक बफर परत जोड़ना आवश्यक होता है। सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स नमी के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं और हवा में पानी की थोड़ी मात्रा के साथ प्रतिक्रिया करके जहरीली गैस हाइड्रोजन सल्फाइड उत्पन्न कर सकते हैं, इसलिए बैटरी निर्माण के लिए पर्यावरणीय आवश्यकताएं बहुत अधिक हैं।
पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट:
लाभ: अच्छी सुरक्षा, अच्छा लचीलापन और इंटरफ़ेस संपर्क, फिल्म बनाने में आसान।
नुकसान: कमरे के तापमान पर आयनिक चालकता बहुत कम होती है और थर्मल स्थिरता खराब होती है।
यह लचीला और प्रक्रिया में आसान है, और क्रॉस-लिंकिंग, ब्लेंडिंग, ग्राफ्टिंग और प्लास्टिसाइज़र जोड़कर चालकता में सुधार किया जा सकता है। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स में उपयोग किए जाने वाले मुख्य पॉलिमर सबस्ट्रेट्स में पीईओ, पैन, पीवीडीएफ, पीए, पीईसी, पीपीसी आदि शामिल हैं। उपयोग किए जाने वाले मुख्य लिथियम लवणों में LiPF6, LiFSI, LiTFSI आदि शामिल हैं। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स तैयार करने में आसान होते हैं, इनमें अच्छा लचीलापन और प्रक्रियात्मकता होती है। और इसका उपयोग लचीले इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों या अपरंपरागत आकार वाली बैटरियों में किया जा सकता है। इसका सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के साथ अच्छा भौतिक संपर्क है, और यह प्रक्रिया मौजूदा लिथियम बैटरी के अपेक्षाकृत करीब है। इसे मौजूदा उपकरणों में बदलाव के जरिए बैटरियों के बड़े पैमाने पर उत्पादन में आसानी से इस्तेमाल किया जा सकता है। हालाँकि, कमरे के तापमान पर पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स की आयनिक चालकता आम तौर पर बहुत कम होती है (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
हैलाइड इलेक्ट्रोलाइट:
लाभ: कम इलेक्ट्रॉनिक प्रतिरोध, उच्च आयन चयनात्मकता, उच्च कमी स्थिरता, और क्रैक करना आसान नहीं है।
नुकसान: यह अभी भी प्रयोगशाला चरण में है, इसमें खराब रासायनिक स्थिरता और ऑक्सीडेटिव स्थिरता है, और इसमें उच्च आयन प्रतिरोध है।
हेलाइड्स और पॉलिमर के प्रमुख फायदे और नुकसान के कारण, सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए भविष्य की वैश्विक प्रतिस्पर्धा मुख्य रूप से ऑक्साइड और सल्फाइड पर केंद्रित होगी। वास्तव में, इसकी खराब रासायनिक स्थिरता के कारण, सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए जिन सामग्रियों का चयन किया जा सकता है, वे बहुत संकीर्ण हैं, लेकिन जब तक उपयुक्त सामग्री और प्रक्रिया में सफलता मिलती है, तब तक इस कमी को पूरा किया जा सकता है।
हालाँकि, औद्योगीकरण के दृष्टिकोण से, जटिल प्रक्रियाओं से उच्च लागत और पैमाने की सीमा बढ़ जाएगी, इसलिए ऑक्साइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स वर्तमान में ठोस-राज्य बैटरी के विकास में मुख्यधारा हैं। तरल बैटरियों से लेकर ठोस-अवस्था बैटरियों तक, एक अर्ध-ठोस बैटरी चरण होगा, और इस चरण में सबसे उपयुक्त ऑक्साइड पथ है। ऐसा इसके व्यापक प्रदर्शन और लागत लाभ के कारण है। सेमी-सॉलिड-स्टेट बैटरियां वर्तमान तरल बैटरियों को अधिक तेजी से बदल सकती हैं, धीरे-धीरे सॉलिड-स्टेट बैटरियों के फायदे और लागत-प्रभावशीलता का लाभ उठा सकती हैं।
हालाँकि, प्रौद्योगिकी की प्रगति के साथ, यह अभी भी स्पष्ट नहीं है कि भविष्य में दुनिया पर ऑक्साइड या सल्फाइड का प्रभुत्व होगा या नहीं। सॉलिड-स्टेट बैटरी तकनीक का मूल सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स का अनुसंधान और विकास है। यद्यपि वर्तमान ठोस इलेक्ट्रोलाइट सामग्रियों ने काफी प्रगति की है, फिर भी उनमें खराब चालकता, बड़े इंटरफ़ेस प्रतिरोध और उच्च तैयारी लागत जैसी समस्याएं हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता और स्थिरता में सुधार के लिए निरंतर बुनियादी अनुसंधान और तकनीकी सफलताओं की आवश्यकता है।
