सल्फाइड-आधारित ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी के लिए एनोड

सल्फाइड-आधारित ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी के लिए एनोड पर हालिया प्रगति

-- भाग ---- पहलालिथियम धातु एनोड

लेखक:

जिया लिनन, डू यिबो, गुओ बंगजुन, झांग शी

1. मैकेनिकल इंजीनियरिंग स्कूल, शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय, शंघाई 200241, चीन

2. शंघाई यिली न्यू एनर्जी टेक्नोलॉजी कंपनी, लिमिटेड। , शंघाई 201306, चीन

अमूर्त

ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियां (एएसएसएलबी) वर्तमान तरल लिथियम बैटरियों की तुलना में उच्च ऊर्जा घनत्व और अधिक सुरक्षा प्रदर्शित करती हैं, जो अगली पीढ़ी के ऊर्जा भंडारण उपकरणों के लिए मुख्य अनुसंधान दिशा हैं। अन्य सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में, सल्फाइड सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स (एसएसई) में अल्ट्रा-हाई आयनिक चालकता, कम कठोरता, आसान प्रसंस्करण और अच्छे इंटरफेशियल संपर्क की विशेषताएं होती हैं, जो ऑल-सॉलिड को प्राप्त करने के लिए सबसे आशाजनक मार्गों में से एक हैं। -राज्य बैटरी. हालाँकि, एनोड और एसएसई के बीच कुछ इंटरफेशियल मुद्दे हैं जो उनके अनुप्रयोगों को सीमित करते हैं जैसे कि इंटरफेशियल साइड प्रतिक्रियाएं, खराब कठोर संपर्क और लिथियम डेंड्राइट। यह अध्ययन सल्फाइड-आधारित ASSLBs के लिए उपयोग की जाने वाली एनोड सामग्रियों में वर्तमान प्रगति की रूपरेखा देता है, सल्फाइड-आधारित ASSLBs के लिए लिथियम धातु, लिथियम मिश्र धातु, सिलिकॉन एनोड सहित मुख्य एनोड सामग्रियों की विकास स्थिति, अनुप्रयोग लाभ, इंटरफ़ेस समस्याओं और मुख्यधारा समाधान रणनीतियों का सारांश देता है। और एनोड सामग्रियों के अगले विकास और इंटरफेसियल मुद्दों के समाधान के लिए मार्गदर्शक सुझाव प्रदान करता है।

कीवर्ड: ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी; सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट; लिथियम एनोड; मिश्र धातु एनोड; एनोड/इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस

परिचय

लिथियम-आयन बैटरियां अपने उच्च वोल्टेज और उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण विभिन्न पोर्टेबल उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं। वे वाहन विद्युतीकरण और कम कार्बन वाले समाज में ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की तैनाती के लिए एक प्रमुख औद्योगिक उत्पाद हैं। हालाँकि, तरल लिथियम-आयन बैटरी ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड, कार्बनिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स और धातु लिथियम ऑक्साइड सकारात्मक इलेक्ट्रोड (जैसे LiCoO2) का उपयोग करती हैं। एक ओर, असेंबल की गई बैटरियों की विशिष्ट ऊर्जा 200~250 W·h·kg-1 की सीमा तक सीमित है, जिससे विशिष्ट ऊर्जा में आगे सफलता हासिल करना मुश्किल हो जाता है। दूसरी ओर, कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स में खराब तापीय स्थिरता और ज्वलनशीलता जैसे नुकसान हैं। इसके अलावा, बैटरी चक्र के दौरान उत्पन्न लिथियम डेंड्राइट्स बैटरी शॉर्ट सर्किट या यहां तक ​​कि विस्फोट का बड़ा जोखिम भी लाएंगे। समस्याओं की इस श्रृंखला ने कई शोधकर्ताओं को लिथियम-आयन बैटरियों की सुरक्षा पर ध्यान देने और सोचने के लिए प्रेरित किया है। ज्वलनशील कार्बनिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स को ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ बदलने से मूल रूप से थर्मल पलायन को रोका जा सकता है और तरल लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किए जाने वाले ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के कारण होने वाले सुरक्षा खतरों को हल किया जा सकता है। साथ ही, ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के उच्च यांत्रिक गुणों को भी लिथियम डेंड्राइट्स के विकास को रोकने में सफलताओं में से एक माना जाता है।

वर्तमान में, मुख्यधारा के सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स में चार प्रकार शामिल हैं: सल्फाइड सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट, ऑक्साइड सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट, पॉलीमर सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट और हैलाइड सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट। उनमें से, ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स में अच्छी स्थिरता और मध्यम आयनिक चालकता के फायदे हैं, लेकिन इंटरफ़ेस संपर्क खराब है। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम धातु के लिए अच्छी स्थिरता होती है और अपेक्षाकृत परिपक्व प्रसंस्करण तकनीक होती है, लेकिन खराब थर्मल स्थिरता, संकीर्ण इलेक्ट्रोकेमिकल खिड़कियां और कम आयनिक चालकता आवेदन के दायरे को सीमित करती है। एक नए प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट के रूप में, हैलाइड इलेक्ट्रोलाइट्स ने अपनी उच्च आयनिक चालकता के कारण व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। हालाँकि, हैलाइड इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च वैलेंस धातु तत्व यह निर्धारित करते हैं कि वे स्थिर एनोड इंटरफ़ेस बनाने के लिए सीधे लिथियम धातु से संपर्क नहीं कर सकते हैं। हैलाइड इलेक्ट्रोलाइट्स पर शोध के लिए और अधिक अन्वेषण की आवश्यकता है। सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स को उनकी उच्च आयनिक चालकता, कम कठोरता, आसान प्रसंस्करण, अच्छी फॉर्मेबिलिटी और अच्छे इंटरफ़ेस संपर्क के कारण ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी (एएसएसएलबी) इलेक्ट्रोलाइट्स का एहसास करने के लिए सबसे आशाजनक मार्गों में से एक माना जाता है।

हाल के वर्षों में, सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स पर संबंधित शोध को और विकसित किया गया है, और इसकी आयनिक चालकता तरल कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में एक स्तर तक पहुंच गई है। विशिष्ट सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स में ग्लासी ली-पीएस सल्फाइड (एलपीएस) और व्युत्पन्न ग्लास सिरेमिक, सिल्वर सल्फाइड जर्मेनियम अयस्क (Li6PS5X, -LISICONs), Li10GeP2S12 (LGPS) और समान यौगिक।

इन विभिन्न सल्फाइड सामग्रियों के बीच, एलजीपीएस-प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट्स अब तक की सबसे अच्छी आयनिक चालकता दिखाते हैं। 2016 में, काटो और अन्य। सुपरलिथियम आयन कंडक्टर Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 (LSPSCl) की सूचना दी, जिसकी आयनिक चालकता कमरे के तापमान पर 25×10-2 S·cm-1 जितनी अधिक है। एलजीपीएस में कमरे के तापमान पर 1.2×10-2 एस·सेमी-1 की अति-उच्च आयन चालकता भी है। (001) दिशा में एकल क्रिस्टल एलजीपीएस की कमजोर अनिसोट्रोपिक आयन चालकता 27×10-2 एस·सेमी-1 तक भी पहुंच जाती है। ग्लास सिरेमिक (Li7P3S11) और सल्फाइड-जर्मेनाइट (Li6PS5Cl) 10-3 S·cm-1 की उच्च आयनिक चालकता प्राप्त कर सकते हैं। उच्च-निकल स्तरित कैथोड और उच्च-ऊर्जा एनोड (जैसे सी या धातु लिथियम) के साथ सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स को संयोजित करने वाली सभी ठोस-अवस्था वाली बैटरियां 500 किलोवाट·एच·किलोग्राम की अति-उच्च विशिष्ट ऊर्जा भी प्रदर्शित कर सकती हैं। हालाँकि, ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों में सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स के अनुप्रयोग में अभी भी संकीर्ण इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो, खराब इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस स्थिरता, खराब वायु स्थिरता, बड़े पैमाने पर विनिर्माण विधियों की कमी और उच्च लागत जैसी समस्याएं हैं। संकीर्ण इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो यह निर्धारित करती है कि इलेक्ट्रोलाइट की कमी प्रतिक्रिया तब होगी जब सक्रिय सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट अधिकांश नकारात्मक इलेक्ट्रोड के संपर्क में आएगा, जिसके परिणामस्वरूप इंटरफ़ेस अस्थिरता होगी, जो ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी के विकास को प्रतिबंधित करने वाली एक महत्वपूर्ण बाधा है। यह लेख मुख्य रूप से सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स पर आधारित ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों के लिए मुख्यधारा एनोड सामग्रियों के विकास की स्थिति का सारांश देता है, और आगे सल्फाइड सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स और एनोड सामग्रियों के बीच इंटरफ़ेस समस्याओं और समाधान रणनीतियों का सारांश देता है। सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स पर आधारित ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों के विकास और व्यावसायिक अनुप्रयोग के लिए मार्गदर्शक सुझाव प्रदान करें।

1 लिथियम धातु एनोड

धात्विक लिथियम अपनी उच्च सैद्धांतिक क्षमता (3860 mA·h·g-1) और बेहद कम इलेक्ट्रोड क्षमता (-3.040) के कारण उच्च ऊर्जा घनत्व लिथियम बैटरी की अगली पीढ़ी को साकार करने के लिए एक महत्वपूर्ण उम्मीदवार सामग्री है। वी बनाम एसएचई)। लिथियम एनोड पारंपरिक ग्रेफाइट एनोड की तुलना में 10 गुना अधिक बैटरी ऊर्जा घनत्व प्रदान करते हैं। हालाँकि, धात्विक लिथियम की अत्यंत कम विद्युत रासायनिक क्षमता इसकी अति-उच्च रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता और विद्युत रासायनिक गतिविधि को निर्धारित करती है। इसलिए, किसी भी इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क से इलेक्ट्रोलाइट में आसानी से कमी की प्रतिक्रिया हो सकती है। धात्विक लिथियम की मात्रा विस्तार दर बड़ी है, इंटरफ़ेस प्रतिबाधा बढ़ जाती है, लिथियम डेंड्राइट बनते हैं, और अंततः शॉर्ट सर्किट होता है। चूंकि ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियां ऑपरेशन के दौरान खराब चक्र स्थिरता, इंटरफ़ेस विफलता और कम जीवनकाल जैसी समस्याएं प्रदर्शित करती हैं, इसलिए धातु लिथियम एनोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच इंटरफ़ेस मुद्दों का पता लगाना अभी भी बहुत महत्वपूर्ण है। सामान्यतया, अधिकांश सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स धात्विक लिथियम के प्रति थर्मोडायनामिक और गतिज अस्थिरता दिखाते हैं। साथ ही, ठोस इलेक्ट्रोलाइट के अंदर अनाज की सीमाएं और दोष लिथियम डेंड्राइट के गठन को प्रेरित करेंगे, जो लिथियम डेंड्राइट वृद्धि और बैटरी शॉर्ट सर्किट की समस्याओं को हल नहीं कर सकता है। . यह ध्यान देने योग्य है कि उच्च वर्तमान घनत्व पर, लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस विफलता समस्या विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जो सभी-ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी की ऊर्जा घनत्व में सुधार को काफी हद तक प्रतिबंधित करती है।

1.1 लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस रासायनिक स्थिरता

जैसा कि चित्र 1, वेन्ज़ेल एट अल में दिखाया गया है। थर्मोडायनामिक परिप्रेक्ष्य से लिथियम/ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस प्रकारों को थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर इंटरफेस और थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर इंटरफेस में वर्गीकृत किया गया है।

चित्र.1 लिथियम धातु और ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफेस के प्रकार

(1) थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर इंटरफ़ेस: जैसा कि चित्र 1 (ए) में दिखाया गया है, संपर्क में दो चरण थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में हैं। धातु लिथियम इलेक्ट्रोलाइट के साथ बिल्कुल भी प्रतिक्रिया नहीं करता है, जिससे एक तेज द्वि-आयामी विमान बनता है, जैसे कि LiF, Li3N और अन्य लिथियम बाइनरी यौगिक।

(2) थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर इंटरफ़ेस: संपर्क इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच थर्मोडायनामिक रूप से संचालित रासायनिक प्रतिक्रिया के कारण, एक त्रि-आयामी इंटरफ़ेस परत बन सकती है। इस पर निर्भर करते हुए कि प्रतिक्रिया उत्पाद द्वारा गठित इंटरफ़ेस परत में पर्याप्त इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक चालकता है या नहीं, इसे निम्नलिखित दो इंटरफेस में अलग किया जा सकता है।

①मिश्रित प्रवाहकीय इंटरफ़ेस परत: जब उत्पाद में पर्याप्त इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक चालकता होती है, तो इंटरफ़ेस परत ठोस इलेक्ट्रोलाइट में स्थिर रूप से विकसित हो सकती है। इस हाइब्रिड प्रवाहकीय इंटरलेयर का निर्माण अंततः इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन की अनुमति देगा, जिससे बैटरी का स्व-निर्वहन होगा [चित्र 1(बी)]। सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की इंटरफेशियल अस्थिरता इंटरफेशियल साइड प्रतिक्रियाओं की उत्पत्ति की ओर ले जाती है, जिससे बैटरी की क्षमता तेजी से क्षीण हो सकती है या विफलता भी हो सकती है। वेन्ज़ेल एट अल. समय-समाधान विद्युत रासायनिक माप के साथ संयुक्त सीटू एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) में उपयोग किया जाता है। LGPS और धात्विक लिथियम के बीच इंटरफेस पर रासायनिक प्रतिक्रिया पर विस्तृत जानकारी प्रदान की गई है, और यह सत्यापित है कि LGPS के अपघटन से Li3P, Li2S और Li-Ge मिश्र धातुओं से बना एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस चरण का निर्माण होता है। उनमें से, Li3P और Li2S आयनिक कंडक्टर हैं, और Li-Ge मिश्र धातु एक इलेक्ट्रॉनिक कंडक्टर है। मिश्रित प्रवाहकीय इंटरफ़ेस परत के कारण एलजीपीएस का विघटन जारी रहेगा, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस प्रतिबाधा बढ़ती रहेगी, जिससे अंततः बैटरी विफलता हो जाएगी।

②मेटास्टेबल ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस परत: यदि प्रतिक्रिया उत्पाद गैर-प्रवाहकीय है या केवल कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता है, तो इंटरफ़ेस परत को बहुत पतली फिल्म में बढ़ने तक सीमित किया जा सकता है, और एक स्थिर ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस, एसईआई का गठन किया जा सकता है। . जैसा कि चित्र 1(सी) में दिखाया गया है, इस बैटरी का प्रदर्शन एसईआई के आयन चालन गुणों पर निर्भर करेगा। सल्फाइड-जर्मेनाइट प्रकार का इलेक्ट्रोलाइट अपेक्षाकृत स्थिर होता है, और इसके अपघटन उत्पाद Li2S, Li3P और LiX (X{{6%)Cl, Br और I) में इलेक्ट्रोलाइट के निरंतर अपघटन से बचने और आसानी से एक स्थिर SEI बनाने के लिए पर्याप्त इलेक्ट्रॉनिक चालकता होती है। . साथ ही, Li3P में उच्च आयनिक चालकता है, जो ठोस-अवस्था बैटरियों में लिथियम आयनों का कुशल संचरण सुनिश्चित करती है।

1.2 लिथियम धातु के यांत्रिक गुणों पर अनुसंधान

नकारात्मक इलेक्ट्रोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच वर्तमान ठोस-ठोस इंटरफ़ेस संपर्क एक सीमित बिंदु संपर्क है, जो आसानी से इंटरफ़ेस प्रतिरोध में वृद्धि की ओर जाता है। हालाँकि, धात्विक लिथियम के यांत्रिक गुण, विशेष रूप से धात्विक लिथियम का रेंगना, इंटरफ़ेस संपर्क प्रभाव को और प्रभावित करेगा, जिससे इंटरफ़ेस रिक्तियों का निर्माण होगा और यहां तक ​​कि उच्च वर्तमान घनत्व पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्रदूषण भी होगा। इसलिए, धात्विक लिथियम के यांत्रिक गुणों, विशेष रूप से धात्विक लिथियम के रेंगने के व्यवहार का अध्ययन करना, सभी-ठोस-अवस्था बैटरियों के चक्र स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण है।

तियान एट अल. लिथियम धातु एनोड पर लोचदार, प्लास्टिक और चिपचिपे संपर्कों के तनाव वितरण कार्य को प्रभावित करने वाली सीमा स्थितियों को प्राप्त करने के लिए संपर्क यांत्रिकी अनुसंधान आयोजित किया और प्रासंगिक सैद्धांतिक मॉडल स्थापित किए। धात्विक लिथियम-सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस के संपर्क क्षेत्र की भविष्यवाणी करें और इंटरफ़ेस पर आयन प्रसार और संपर्क क्षेत्र के नुकसान के कारण होने वाली क्षमता हानि की गणना करें। प्रयोगों से पता चलता है कि कम कट-ऑफ वोल्टेज (3.8 वी) पर, बैटरी क्षमता में कमी और संपर्क क्षेत्र के नुकसान के बीच संबंध 1 की ढलान के साथ लगभग रैखिक होता है। जबकि उच्च कट-ऑफ वोल्टेज पर (4.{{ 6}} वी), ढलान 1 से कम है, और डिस्चार्ज दर बढ़ने के साथ क्षमता ड्रॉप दर कम हो जाती है। फिन्चर एट अल. वाणिज्यिक लिथियम फ़ॉइल के यांत्रिक प्रभावों का परीक्षण करने के लिए तन्य प्रयोगों का उपयोग किया गया और पाया गया कि धात्विक लिथियम की उपज शक्ति 5×10-4~5×{{ की तनाव दर पर 0.57 से 1.26 एमपीए तक होती है। 15}} एस-1। 0.05 एस-1 के लक्ष्य के साथ इंडेंटेशन परीक्षण के लिए, कठोरता लगभग 43 से तेजी से कम हो गई। 37}} एनएम से 10 µm. नैनोइंडेंटेशन परीक्षणों से मापे गए प्लास्टिक गुणों ने क्रमशः 6.55 और 6.90 के तनाव घातांक के साथ मजबूत तनाव दर निर्भरता दिखाई। बैटरी अनुप्रयोगों में इंडेंटेशन गहराई को प्रासंगिक लंबाई के पैमाने से जोड़ने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग किया जाता है। यह लिथियम एनोड की संरचना को अनुकूलित करने और चार्ज और डिस्चार्ज स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण मार्गदर्शन प्रदान कर सकता है, ताकि इलेक्ट्रोकेमिकल चक्रों के दौरान लिथियम के असमान जमाव को कम किया जा सके। मासियास एट अल. कमरे के तापमान पर पॉलीक्रिस्टलाइन लिथियम के लोचदार, प्लास्टिक और समय-निर्भर यांत्रिक गुणों को व्यवस्थित रूप से मापा गया। इसका यंग मापांक, कतरनी मापांक और पॉइसन का अनुपात क्रमशः 7.82 जीपीए, 2.83 जीपीए और 0.38 निर्धारित किया गया था, और उपज शक्ति 0.73 और 0.81 जीपीए के बीच थी। 6.56 के तनाव सूचकांक के साथ, पावर-लॉ रेंगना तनाव पर हावी है। संपीड़न परीक्षण बैटरी-प्रासंगिक तनाव सीमा (0.8~2.4 एमपीए) के भीतर किया गया था, और समय के साथ महत्वपूर्ण बैंडिंग और तनाव दर में कमी देखी गई थी। नारायण एट अल. बड़े विरूपण सिद्धांत के आधार पर एक ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी लिथियम एनोड के लिए एक प्रतिक्रिया मॉडल की स्थापना की, जो लिथियम के लोचदार-विस्कोप्लास्टिक प्रतिक्रिया में लिथियम एनोड और सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच बातचीत का अनुकरण करता है। यह दर्शाता है कि तनाव की प्रतिक्रिया लिथियम एनोड के वॉल्यूम विरूपण से संबंधित है, जो ठोस-अवस्था बैटरियों की विफलता का मुख्य कारण है। बैच तन्यता और नैनोइंडेंटेशन परीक्षणों के माध्यम से, लिथियम धातु रेंगने के दौरान स्पष्ट तनाव दर निर्भरता और आकार में गिरावट दिखाती है। दिखाया गया है कि लिथियम एनोड की मजबूती में सुधार करने और इलेक्ट्रोकेमिकल साइक्लिंग के दौरान अस्थिर लिथियम वृद्धि को कम करने के लिए लिथियम जमा को समायोजित करके विरूपण यांत्रिकी की फाइन-ट्यूनिंग प्राप्त की जा सकती है।

धात्विक लिथियम के समग्र यांत्रिक अध्ययन के अलावा, नैनोमैकेनिक्स का अध्ययन छोटे पैमाने पर काफी महत्वपूर्ण और अत्यंत विस्तृत सतह और स्थानीय जानकारी प्रदान करता है। नैनोइंडेंटेशन प्रयोग सतह और स्थानीय विशेषताओं के लिए सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले विश्लेषण उपकरणों में से एक है। अक्रिय गैस में किए गए नैनोइंडेंटेशन प्रयोग धात्विक लिथियम के यांत्रिक, विद्युत रासायनिक और रूपात्मक युग्मन व्यवहार का अधिक व्यापक रूप से विश्लेषण कर सकते हैं। हर्बर्ट एट अल. उच्च शुद्धता वाली वाष्पित लिथियम फिल्मों पर नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की और लोचदार मापांक, कठोरता और उपज शक्ति सहित प्लास्टिक प्रवाह विशेषताओं पर डेटा एकत्र किया। लंबाई के पैमाने, तनाव दर, तापमान, क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास और इलेक्ट्रोकेमिकल साइक्लिंग जैसे प्रमुख चर के साथ उपरोक्त डेटा के विकास का अध्ययन किया गया था, जो दर्शाता है कि लिथियम का प्लास्टिक प्रवाह मुख्य रूप से निरंतर भार या दबाव के तहत स्थिर-अवस्था रेंगने से संबंधित है। इलेक्ट्रोकेमिकल चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम का रेंगना इंटरफ़ेस पर बकलिंग को प्रेरित कर सकता है और अतिरिक्त तनाव उत्पन्न कर सकता है। साथ ही, लिथियम का विस्कोप्लास्टिक व्यवहार इंटरफ़ेस संपर्क क्षेत्र को और प्रभावित करेगा, जिससे आयन प्रसार चैनल खराब हो जाएंगे और इंटरफ़ेस अस्थिरता होगी। हालाँकि, धात्विक लिथियम पर वर्तमान नैनोमैकेनिकल अनुसंधान अभी भी प्रारंभिक चरण में है, और आगे का शोध बहुत महत्वपूर्ण है। धातु लिथियम एनोड इंटरफ़ेस के युग्मन का विश्लेषण करने और यांत्रिक युग्मन प्रभाव को और समझने के लिए इंटरफ़ेस के बारे में उच्च-निष्ठा जानकारी प्रदान करने के लिए कुछ नई तकनीकों जैसे नैनोकॉलम संपीड़न और धातु लिथियम नैनोमैकेनिक्स के इन-सीटू वास्तविक समय अवलोकन का भी प्रस्ताव दिया गया है। धात्विक लिथियम, इस प्रकार नैनोस्केल धात्विक लिथियम एनोड के डिजाइन की संभावना प्रदान करता है।

1.3 लिथियम डेन्ड्राइट का न्यूक्लियेशन और वृद्धि

लिथियम डेंड्राइट लिथियम-आयन बैटरी की स्थिरता और सुरक्षा को प्रभावित करने वाले मूलभूत मुद्दों में से एक है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को उनकी उच्च यांत्रिक शक्ति के कारण लंबे समय से लिथियम डेंड्राइट वृद्धि के संभावित समाधान के रूप में माना जाता है। हालाँकि, कई शोध परिणाम बताते हैं कि ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम डेंड्राइट की समस्या अभी भी मौजूद है, और तरल लिथियम बैटरी की तुलना में यह और भी अधिक गंभीर है। सॉलिड-स्टेट बैटरियों में, लिथियम डेंड्राइट्स की वृद्धि के कई कारण हैं, जिनमें इलेक्ट्रोलाइट और धात्विक लिथियम के बीच इंटरफेस पर असमान संपर्क, दोष, अनाज की सीमाएं, इलेक्ट्रोलाइट के भीतर रिक्तियां, अंतरिक्ष शुल्क आदि शामिल हैं। मोनरो एट अल। धात्विक लिथियम एनोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट पर आधारित लिथियम डेन्ड्राइट विकास मॉडल की सूचना दी। मॉडल में इलेक्ट्रोलाइट लोच, संपीड़न बल, सतह तनाव और विरूपण बल जैसे कारकों पर विचार किया गया। सिमुलेशन परिणाम बताते हैं कि जब इलेक्ट्रोलाइट का कतरनी मापांक लिथियम के बराबर होता है, तो एक स्थिर इंटरफ़ेस बनेगा। जब इलेक्ट्रोलाइट का कतरनी मापांक लिथियम (4.8 जीपीए) से लगभग दोगुना होता है, तो लिथियम डेंड्राइट की पीढ़ी को दबाया जा सकता है। हालाँकि, वास्तविक ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी अनुसंधान में, यह पाया गया कि लिथियम डेंड्राइट अभी भी उच्च कतरनी मापांक [जैसे कि Li7La3Zr2012 (LLZO), लोचदार मापांक ≈ 100 GPa] के साथ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में उत्पादित होते हैं। इसलिए, यह मॉडल बिना किसी सूक्ष्म दोष और असमान वितरण के केवल आदर्श इंटरफेस पर लागू होता है। पोर्ज़ एट अल. पाया गया कि इलेक्ट्रोलाइट का उच्च कतरनी मापांक उच्च अंतिम वर्तमान घनत्व को जन्म देगा, जो ठोस इलेक्ट्रोलाइट की अनाज सीमाओं और रिक्तियों में धात्विक लिथियम के न्यूक्लियेशन और विकास को प्रेरित करेगा। नागाओ एट अल. ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों में नकारात्मक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस पर लिथियम जमाव और विघटन प्रक्रिया का निरीक्षण करने के लिए इन-सीटू स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया जाता है, जो विभिन्न लागू वर्तमान घनत्वों के साथ लिथियम जमाव आकृति विज्ञान में परिवर्तनों को प्रकट करता है। जब वर्तमान घनत्व 1 mA·cm से अधिक हो जाता है, तो स्थानीय लिथियम जमाव बड़ी दरारें पैदा करेगा, जिसके परिणामस्वरूप लिथियम जमाव और विघटन की प्रतिवर्तीता में कमी आएगी, और दरारें तब तक विस्तारित होंगी जब तक कि लिथियम डेंड्राइट नहीं बन जाते। दूसरी ओर, समान और प्रतिवर्ती लिथियम जमाव और विघटन 0.01 एमए·सेमी-2 के कम वर्तमान घनत्व पर प्राप्त किया जा सकता है, जिसमें लगभग कोई दरार नहीं होती है। इसलिए, केवल इलेक्ट्रोलाइट के उच्च कतरनी मापांक पर ध्यान केंद्रित करने से लिथियम डेंड्राइट वृद्धि की समस्या का समाधान नहीं हो सकता है, और इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक चालकता कम हो सकती है और ठोस-राज्य बैटरी की ऊर्जा घनत्व को प्रभावित कर सकती है।

पोर्ज़ एट अल. विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम डेंड्राइट्स के न्यूक्लियेशन और विकास तंत्र का अध्ययन किया और दिखाया कि लिथियम प्रवेश की शुरुआत ठोस इलेक्ट्रोलाइट की सतह आकृति विज्ञान पर निर्भर करती है। विशेष रूप से, दोषों का आकार और घनत्व, और दोषों में लिथियम का जमाव टिप तनाव पैदा कर सकता है जो दरार के प्रसार को प्रेरित करता है। इसके अलावा, अनाज, अनाज सीमाओं या इंटरफेस के बीच चालकता में अंतर भी लिथियम डेंड्राइट की पीढ़ी का कारण बन सकता है। यू एट अल. सैद्धांतिक रूप से ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में तीन कम-ऊर्जा सममित रूप से झुकी हुई अनाज सीमाओं की ऊर्जा, संरचना और परिवहन गुणों का अध्ययन किया गया। यह दर्शाता है कि अनाज की सीमाओं पर लिथियम आयनों का परिवहन अनाज की तुलना में अधिक कठिन है और तापमान और अनाज सीमा संरचना के प्रति संवेदनशील है। राज एट अल. सैद्धांतिक रूप से ठोस इलेक्ट्रोलाइट/लिथियम इंटरफ़ेस पर लिथियम डेंड्राइट्स के न्यूक्लियेशन पर अनाज सीमा प्रतिरोध के प्रभाव का अध्ययन किया गया। उन्होंने प्रस्तावित किया कि अनाज सीमाओं की उच्च आयनिक प्रतिरोधकता और एनोड इंटरफ़ेस की भौतिक अनियमितताओं से लिथियम की स्थानीय विद्युत रासायनिक यांत्रिक क्षमता में वृद्धि होगी, जिससे लिथियम डेंड्राइट्स के निर्माण को बढ़ावा मिलेगा। इसलिए, क्रिस्टल अनाज की तुलना में, उच्च आयन प्रतिरोधकता वाले अनाज की सीमाएं लिथियम डेंड्राइट के न्यूक्लियेशन और विकास को प्रेरित करने की अधिक संभावना है। ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों में लिथियम डेंड्राइट का विकास तंत्र आगे के शोध के साथ धीरे-धीरे स्पष्ट हो गया है। हालाँकि, लिथियम डेंड्राइट्स को पूरी तरह से दबाने के लिए अभी भी प्रभावी तरीकों की कमी है, और जितनी जल्दी हो सके सभी-सॉलिड-स्टेट बैटरियों में धातु लिथियम एनोड के अनुप्रयोग को साकार करने के लिए संबंधित अनुसंधान को गहराई से जारी रखने की आवश्यकता है।

1.4 इंटरफ़ेस समस्या समाधान रणनीतियाँ

लिथियम एनोड के अनुप्रयोग में चुनौतियों को हल करने के लिए कई तरीके प्रस्तावित किए गए हैं, जिनमें बाहरी दबाव लागू करना, एसईआई परतों का उपयोग करना, इलेक्ट्रोलाइट्स का अनुकूलन और धातु लिथियम का संशोधन शामिल है। यह बैटरी पर लिथियम रेंगने के प्रभाव को कम करता है, ठोस-ठोस इंटरफ़ेस के संपर्क क्षेत्र को बढ़ाता है, सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट और धातु लिथियम एनोड के बीच इंटरफेस पर साइड प्रतिक्रियाओं को रोकता है, एनोड इंटरफ़ेस की लिथोफिलिसिटी में सुधार करता है, और इससे बचा जाता है। लिथियम डेन्ड्राइट का निर्माण और वृद्धि।

1.4.1 बाहरी दबाव लागू करें

बाहरी दबाव लागू करने से ठोस-ठोस इंटरफ़ेस का संपर्क क्षेत्र बढ़ सकता है, नकारात्मक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस में रेंगने से होने वाली क्षति को कम किया जा सकता है, और बैटरी की चक्र स्थिरता में सुधार हो सकता है। झांग एट अल. स्टैक दबाव के तहत ठोस इलेक्ट्रोलाइट/लिथियम एनोड इंटरफ़ेस के विकास का वर्णन करने के लिए एक बहु-स्तरीय त्रि-आयामी समय-निर्भर संपर्क मॉडल की सूचना दी। सैद्धांतिक गणना से पता चलता है कि लगभग 20 GPa का उच्च स्टैक दबाव रिक्तियों के निर्माण को रोकता है, जो लगातार इंटरफ़ेस संपर्क सुनिश्चित करने के लिए एक आशाजनक तरीका है, जो संभावित रूप से स्थिर बैटरी प्रदर्शन प्राप्त करता है। उच्च स्टैक दबाव बैटरी के प्रदर्शन के लिए अधिक फायदेमंद नहीं है। कम स्टैक दबाव ठोस-ठोस इंटरफ़ेस पर संपर्क समस्या को मौलिक रूप से हल नहीं कर सकता है। अत्यधिक स्टैक दबाव आसानी से लिथियम डेंड्राइट बना सकता है और बैटरी में शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकता है। वांग एट अल. लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों के प्रदर्शन पर स्टैक दबाव के प्रभाव का अध्ययन किया और पाया कि लिथियम स्ट्रिपिंग प्रक्रिया के दौरान, अधिकतम स्वीकार्य स्ट्रिपिंग वर्तमान घनत्व लागू बाहरी दबाव के समानुपाती होता है। जमाव प्रक्रिया के दौरान, उच्च लागू दबाव अधिकतम स्वीकार्य जमाव धारा को कम कर देगा, अर्थात, उच्च स्टैकिंग दबाव आसानी से लिथियम डेंड्राइट (चित्रा 2) की पीढ़ी को जन्म देगा।

चित्र.2 एएसएसएलबी में स्ट्रिपिंग और जमाव के लिए अधिकतम अनुमत वर्तमान घनत्व (एमएसीडी) और बाहरी दबाव के बीच संबंध

1.4.2 कृत्रिम ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस परत

सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट/लिथियम इंटरफ़ेस पर एक स्थिर एसईआई रखने से धात्विक लिथियम और सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच सीधे संपर्क से बचा जा सकता है, जो इंटरफ़ेस साइड प्रतिक्रियाओं की घटना और लिथियम डेंड्राइट्स के गठन और विकास को प्रभावी ढंग से रोकता है। आम तौर पर, एसईआई बनाने की दो विधियाँ हैं: इन-सीटू एसईआई और एक्स-सीटू एसईआई। वांग एट अल. स्पिन कोटिंग तकनीक के माध्यम से पॉलिश लिथियम धातु की सतह पर एक इन-सीटू आयन प्रवाहकीय सुरक्षात्मक परत स्थापित की गई। लिथियम सतह पर अकार्बनिक Li3N और LiF के कार्बनिक मैट्रिक्स से बनी एक कृत्रिम सुरक्षात्मक परत (LiPFG) को एम्बेड करने के लिए पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (PAN) और फ़्लोरोएथिलीन कार्बोनेट (FEC) के मिश्रण का उपयोग किया जाता है। प्रभावी रूप से लिथियम के एकसमान जमाव को बढ़ावा देता है और इंटरफ़ेस स्थिरता और अनुकूलता में सुधार करता है। ली एट अल. लिथियम डिफ्लुओरो (ऑक्सालेट) फॉस्फेट में 1, 3- डाइऑक्सोलेन की इन-सीटू पॉलीमराइज़्ड इंटरलेयर डिज़ाइन की गई। ली/एलजीपीएस इंटरफ़ेस पर गठित एसईआई में दोहरी परत संरचना होती है। ऊपरी परत पॉलिमर से समृद्ध है और लोचदार है, और निचली परत लिथियम डेंड्राइट्स के न्यूक्लियेशन और विकास को रोकने के लिए अकार्बनिक पदार्थों से भरी हुई है। साथ ही, Li/LGPS इंटरफ़ेस का निर्बाध संपर्क प्राप्त होता है, जो लिथियम आयनों के समान संचरण को बढ़ावा देता है और LGPS के निरंतर अपघटन को रोकता है। इस जेल पॉलिमर कोटिंग के साथ लिथियम सममित बैटरियां 0.5 mA·cm-2/0 की स्थितियों के तहत 5{9}}0 घंटे से अधिक समय तक स्थिर चक्रण प्रदर्शित करती हैं। 5 एमए·एच·सेमी-2. गाओ एट अल. कार्बनिक लोचदार लवण [LiO-(CH2O) n -Li] और अकार्बनिक नैनोकण लवण (LiF, -NSO2-Li, Li2O) पर आधारित एक नैनोकम्पोजिट की सूचना दी, जिसका उपयोग LGPS की सुरक्षा के लिए एक मध्यवर्ती चरण के रूप में किया जा सकता है। नैनोकम्पोजिट सामग्री तरल इलेक्ट्रोलाइट के इलेक्ट्रोकेमिकल अपघटन के माध्यम से ली पर सीटू में बनाई जाती है, जो इंटरफ़ेस प्रतिरोध को कम करती है, इसमें अच्छी रासायनिक और इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता और इंटरफ़ेस संगतता होती है, और एलजीपीएस कमी प्रतिक्रिया की घटना को प्रभावी ढंग से रोकती है। 3 से अधिक का स्थिर लिथियम जमाव {57} 0 0 घंटे और 200 गुना का चक्र जीवन प्राप्त किया गया। एसईआई की यांत्रिक ताकत ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों की चक्र स्थिरता के लिए बेहद महत्वपूर्ण है। यदि एसईआई की यांत्रिक शक्ति बहुत कम है, तो डेंड्राइट प्रवेश होगा। यदि एसईआई पर्याप्त सख्त नहीं है, तो झुकने वाली दरारें उत्पन्न हो जाएंगी [चित्र। 3(ए)]. डुआन एट अल. धात्विक लिथियम और LGPS के बीच एक कृत्रिम SEI के रूप में रासायनिक आयोडीन वाष्प जमाव के माध्यम से एक संरचित LiI परत तैयार की गई [चित्र 3(बी)]। स्वस्थानी में उत्पन्न LiI परत में एक अद्वितीय, पतला चावल के आकार का LiI क्रिस्टल आपस में जुड़ी हुई संरचना होती है, जो उच्च यांत्रिक शक्ति और उत्कृष्ट क्रूरता प्रदान करती है, और लिथियम डेंड्राइट के विकास को प्रभावी ढंग से रोक सकती है। और लिथियम की मात्रा में बदलाव के लिए अच्छी तरह से अनुकूलित होता है, जिससे एक मजबूत ली/एलजीपीएस इंटरफ़ेस बना रहता है [चित्र 3(सी)]। साथ ही, इस LiI परत में उच्च आयनिक चालकता और कुछ रासायनिक जड़ता होती है, और लिथियम और एलजीपीएस दोनों के लिए उच्च स्थिरता दिखाती है। तैयार Li/LiI/LGPS/S बैटरी ने 0.1 C पर 1400 mA·h·g-1 की उच्च क्षमता दिखाई, और कमरे के तापमान पर 150 चक्रों के बाद 80.6% की उच्च क्षमता प्रतिधारण दर दिखाई। यहां तक ​​कि 1.35 एमएएच·सेमी-1 और 90 डिग्री की कठोर परिस्थितियों में भी, यह अभी भी 1500 एमएएच·जी-1 की उच्च क्षमता और 100 चक्रों के लिए उत्कृष्ट स्थिरता प्रदर्शित करता है। विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों में अपनी महान क्षमता दिखा रहा है। समाधान विधि के आधार पर, लियांग एट अल। Li/Li3PS4 इंटरफ़ेस को स्थिर करने के लिए SEI के रूप में धात्विक लिथियम की सतह पर Li x SiS y परत को संश्लेषित किया गया। यह Li x SiS y परत वायु-स्थिर है और लिथियम और आसपास के वातावरण के बीच होने वाली प्रतिकूल प्रतिक्रियाओं को प्रभावी ढंग से रोक सकती है। इसे एक सममित बैटरी में 2000 घंटे से अधिक समय तक स्थिर रूप से चलाया जा सकता है। टीम ने एक्स-सीटू कृत्रिम एसईआई के रूप में पॉलीएक्रिलोनिट्राइल-सल्फर कंपोजिट (पीसीई) का उपयोग करके एक समाधान रणनीति की भी सूचना दी। लिथियम धातु और एलजीपीएस के बीच इंटरफेस पर एक मध्यवर्ती परत के रूप में पीसीई का उपयोग एलजीपीएस और ली धातु के बीच इंटरफेस प्रतिक्रिया को काफी हद तक दबा देता है। असेंबल की गई ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी उच्च प्रारंभिक क्षमता प्रदर्शित करती है। 0.1 C दर पर 148 mA·h·g-1। यह 0.5 C दर पर 131 mA·h·g-1 है। 0.5 C दर पर 120 चक्रों के बाद क्षमता 122 mA·h·g-1 रह जाती है। उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शित करें.

चित्र 3 एलजीपीएस और ली एनोड के बीच इंटरफेस का योजनाबद्ध आरेख

1.4.3 इलेक्ट्रोलाइट अनुकूलन

इलेक्ट्रोलाइट अनुकूलन न केवल सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक चालकता में सुधार कर सकता है, बल्कि लिथियम एनोड द्वारा इलेक्ट्रोलाइट की कमी को कुछ हद तक रोक या कम भी कर सकता है। उनमें से, उचित तत्व प्रतिस्थापन का उपयोग आयनिक चालकता में सुधार और एनोड इंटरफ़ेस को स्थिर करने के लिए एक प्रभावी रणनीति है। सन एट अल द्वारा प्रयोग। दिखाएँ कि ऑक्सीजन डोपिंग आयन चालकता को बढ़ा सकती है (Li10GeP2S11.7O0.3: 8.43×10-2 S·cm-1; LGPS: 1.12×{{12} } एस·सेमी-1). साथ ही, इंटरफ़ेशियल प्रतिक्रियाओं को रोका जाता है, जिससे लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस की स्थिरता में सुधार होता है। ऑक्सीजन के अलावा, धातु सल्फाइड डोपिंग लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस की बाधा को भी कम कर सकता है। उदाहरण के लिए, Li7P2.9S10.85Mo0.01 (MoS2 डोपिंग का उपयोग करके बेहतर Li2S-P2S5 ग्लास सिरेमिक) L7P3S11 की तुलना में कम इंटरफ़ेस प्रतिबाधा प्रदर्शित करता है। Li3। क्षमता प्रतिधारण दर 81%, नंगे Li3PS4 केवल 35% है)। यद्यपि उचित तत्व प्रतिस्थापन ने लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस के लिए अच्छे परिणाम दिखाए हैं। हालाँकि, इन संशोधन विधियों में अभी भी साइड प्रतिक्रियाओं की घटना और लंबे चक्रों के दौरान लिथियम डेंड्राइट के गठन जैसी समस्याएं हैं। इंटरफ़ेस मुद्दों पर कैनेटीक्स की भूमिका की ऊपरी सीमा की और पुष्टि की जानी चाहिए, और लिथियम/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस की रासायनिक स्थिरता में सुधार के लिए अन्य रणनीतियों को जोड़ा जाना चाहिए। इलेक्ट्रोलाइट संरचना डिजाइन भी साइड प्रतिक्रियाओं की घटना को रोक सकता है और लिथियम डेंड्राइट्स के न्यूक्लियेशन और विकास को रोक सकता है। ये एट अल. सैंडविच-संरचित इलेक्ट्रोलाइट का एक सरल डिज़ाइन प्रस्तावित किया गया [चित्र 4(ए)]। अधिक स्थिर इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच अस्थिर इलेक्ट्रोलाइट को सैंडविच करने से कम स्थिर इलेक्ट्रोलाइट की परत में अच्छे स्थानीय अपघटन के माध्यम से सीधे संपर्क से बचा जाता है। यह लिथियम डेन्ड्राइट की वृद्धि को रोक सकता है और उत्पन्न दरारें भर सकता है। यह विस्तार पेंच जैसी डिजाइन अवधारणा LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 कैथोड के साथ जोड़े गए धातु लिथियम एनोड के एक स्थिर चक्र को प्राप्त करती है [जैसा कि चित्र 4 (बी) में दिखाया गया है, क्षमता प्रतिधारण दर 10 के बाद 82% है, 000 20 C पर चक्र। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह कार्य विशिष्ट सामग्रियों तक सीमित नहीं है। केंद्रीय परत सामग्री के रूप में LGPS, LSPSCl, Li9.54 Si1.74P0.94S11.7Cl0.3 (LSPS), Li3YCl6, आदि का उपयोग करके स्थिर चक्र देखे जा सकते हैं। यह लिथियम एनोड/सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस की स्थिरता में सुधार करने के लिए एक अत्यधिक लागू डिज़ाइन विधि प्रदान करता है।

चित्र.4 सैंडविच संरचना इलेक्ट्रोलाइट डिजाइन और लंबे चक्र इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन वक्र का योजनाबद्ध आरेख

1.4.4 लिथियम एनोड संशोधन

लिथियम एनोड का संशोधन साइकिल चालन के दौरान धातु लिथियम के रेंगने के व्यवहार के कारण होने वाली इलेक्ट्रोलाइट दरारों की घटना को कम या टाल सकता है, जिससे लिथियम डेंड्राइट के गठन को रोका जा सकता है। जैसा कि चित्र 5, सु एट अल में दिखाया गया है। लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सुरक्षा के लिए ग्रेफाइट फिल्म का उपयोग किया गया, एलजीपीएस इलेक्ट्रोलाइट परत को लिथियम धातु से अलग किया गया और एलजीपीएस के अपघटन को रोका गया। यांत्रिक संकोचन तंत्र के आधार पर, बैटरी प्रणाली पर 100~250 GPa का बाहरी दबाव लगाया जाता है। यह बाहरी बल बाधा इलेक्ट्रोलाइट कणों और इलेक्ट्रोलाइट परत और ली/जी एनोड के बीच इंटरफ़ेस संपर्क को अनुकूलित करती है। ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी उत्कृष्ट चक्र प्रदर्शन प्राप्त करती है। इसके अलावा, ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों की लिथियम एनोड इंटरफ़ेस समस्या को हल करने के लिए धात्विक लिथियम को मिश्रित करना भी एक महत्वपूर्ण तरीका है। वर्तमान रिपोर्टों में, लिथियम मिश्र धातुओं ने गंभीर इंटरफ़ेस साइड प्रतिक्रियाओं और लिथियम एनोड में लिथियम डेंड्राइट की पीढ़ी जैसी समस्याओं को हल करने में कुछ फायदे दिखाए हैं, जिन्हें नीचे विस्तार से पेश किया जाएगा।

चित्र 5 ली/एलजीपीएस इंटरफ़ेस के लिए ग्रेफाइट फिल्म का सुरक्षा डिज़ाइन

अधूरा, जारी रहेगा।