सर्गी कल्नौस, एट अल। सॉलिड-स्टेट बैटरियां: यांत्रिकी की महत्वपूर्ण भूमिका। विज्ञान। 381, 1300 (2023)।
लिथियम मेटल एनोड वाली सॉलिड-स्टेट बैटरियों में उच्च ऊर्जा घनत्व, लंबे जीवनकाल, व्यापक ऑपरेटिंग तापमान और बढ़ी हुई सुरक्षा की क्षमता होती है। यद्यपि अधिकांश शोध ने सामग्रियों और इंटरफेस के परिवहन कैनेटीक्स और इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता में सुधार पर ध्यान केंद्रित किया है, लेकिन ऐसी महत्वपूर्ण चुनौतियां भी हैं जिनके लिए सामग्रियों के यांत्रिकी की जांच की आवश्यकता होती है। सॉलिड-सॉलिड इंटरफेस वाली बैटरियों में, यांत्रिक संपर्क और सॉलिड-स्टेट बैटरियों के संचालन के दौरान तनाव का विकास, इन इंटरफेस पर स्थिर चार्ज ट्रांसफर बनाए रखने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता जितना ही महत्वपूर्ण हो जाता है। यह समीक्षा सामान्य और विस्तारित बैटरी साइक्लिंग और तनाव राहत के लिए संबंधित तंत्रों के परिणामस्वरूप होने वाले तनाव और तनाव पर ध्यान केंद्रित करेगी, जिनमें से कुछ इन बैटरियों की विफलता का कारण बनते हैं।
पृष्ठभूमि
रोजमर्रा के फोन और इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग की जाने वाली पारंपरिक ली-आयन बैटरियों की तुलना में सॉलिड-स्टेट बैटरियों (एसएसबी) के महत्वपूर्ण संभावित फायदे हैं। इन संभावित लाभों में उच्च ऊर्जा घनत्व और तेज़ चार्जिंग है। एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट विभाजक ज्वलनशील कार्बनिक सॉल्वैंट्स की अनुपस्थिति के कारण लंबा जीवनकाल, व्यापक ऑपरेटिंग तापमान और बढ़ी हुई सुरक्षा भी प्रदान कर सकता है। एसएसबी के महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक बड़े पैमाने पर परिवहन द्वारा संचालित आयामी परिवर्तनों (उपभेदों) के लिए उनके माइक्रोस्ट्रक्चर की तनाव प्रतिक्रिया है। कैथोड कणों में संरचनात्मक तनाव तरल इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों में भी होते हैं, लेकिन एसएसबी में ये तनाव इलेक्ट्रोड कणों और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के विस्तार या संकुचन के बीच संपर्क यांत्रिकी समस्याओं को जन्म देते हैं। एनोड पक्ष पर, लिथियम धातु का चढ़ाना ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ इंटरफेस पर अपनी जटिल तनाव स्थिति बनाता है। एसएसबी की एक महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि ऐसी प्लेटिंग न केवल इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस पर हो सकती है, बल्कि ठोस इलेक्ट्रोलाइट के भीतर, इसके छिद्रों के अंदर या अनाज की सीमाओं के साथ भी हो सकती है। इस तरह के सीमित लिथियम जमाव से उच्च हाइड्रोस्टेटिक तनाव वाले क्षेत्र बनते हैं जो इलेक्ट्रोलाइट में फ्रैक्चर शुरू करने में सक्षम होते हैं। यद्यपि एसएसबी में अधिकांश विफलताएं यांत्रिकी द्वारा संचालित होती हैं, अधिकांश शोध आयन परिवहन और इलेक्ट्रोलाइट्स की इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता में सुधार के लिए समर्पित किया गया है। इस अंतर को पाटने के प्रयास के रूप में, इस समीक्षा में हम एसएसबी के लिए एक यांत्रिकी रूपरेखा प्रस्तुत करते हैं और क्षेत्र में अग्रणी अनुसंधान की जांच करते हैं, उन तंत्रों पर ध्यान केंद्रित करते हैं जिनके द्वारा तनाव उत्पन्न होता है, रोका जाता है और राहत मिलती है।
अग्रिम
नवीकरणीय संसाधनों की ओर बढ़ने के लिए अगली पीढ़ी की बैटरियों के विकास की आवश्यकता है जिनकी ऊर्जा घनत्व वर्तमान बैटरियों की तुलना में दोगुनी से अधिक हो और जो 5 मिनट या उससे कम समय में चार्ज हो सकें। इससे इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित करने की होड़ मच गई है जो न्यूनतम गति से चार्जिंग की सुविधा प्रदान कर सकती है और ली मेटल एनोड को सक्षम कर सकती है - जो उच्च ऊर्जा की कुंजी है। ली धातु के साथ उच्च विद्युत रासायनिक स्थिरता वाले ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स और किसी भी तरल इलेक्ट्रोलाइट की तुलना में अधिक आयनिक चालकता वाले सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की खोज ने एसएसबी की ओर अनुसंधान समुदाय में बदलाव को प्रेरित किया है। हालाँकि इन खोजों ने इस वादे को जन्म दिया है कि एसएसबी तेजी से चार्जिंग और ऊर्जा घनत्व को दोगुना करने के दृष्टिकोण को सक्षम कर सकते हैं, इस वादे को साकार करना तभी संभव है जब बैटरी सामग्री के यांत्रिक व्यवहार को पूरी तरह से समझा जाए और मल्टीस्केल यांत्रिकी को एसएसबी के विकास में एकीकृत किया जाए। .
आउटलुक
कई प्रमुख चुनौतियों का समाधान किया जाना चाहिए, जिनमें (i) ठोस इलेक्ट्रोलाइट सतह पर गैर-समान लिथियम चढ़ाना और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के भीतर लिथियम धातु का जमाव; (ii) इलेक्ट्रोड संपर्कों और अनाज सीमाओं पर होने वाले इलेक्ट्रोकेमिकल साइक्लिंग से जुड़े वॉल्यूम परिवर्तनों के परिणामस्वरूप सेल के भीतर इंटरफेशियल संपर्क का नुकसान; और (iii) बहुत पतले ठोस इलेक्ट्रोलाइट और बाइंडर और संरचनात्मक समर्थन सहित न्यूनतम निष्क्रिय घटकों के साथ एसएसबी बनाने के लिए विनिर्माण प्रक्रियाएं। यांत्रिकी इन समस्याओं को जोड़ने वाला एक सामान्य विभाजक है। सिरेमिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट की सतह और आयतन दोषों में धात्विक लिथियम के जमाव के परिणामस्वरूप स्थानीय उच्च तनाव उत्पन्न होता है जिससे दरारों में धात्विक लिथियम के और अधिक प्रसार के साथ इलेक्ट्रोलाइट फ्रैक्चर हो सकता है। विनिर्माण में, न्यूनतम आवश्यकता के रूप में, कैथोड-इलेक्ट्रोलाइट स्टैक में उपकरण द्वारा लागू बलों का सामना करने के लिए पर्याप्त ताकत होनी चाहिए। एसएसबी सामग्रियों के यांत्रिकी की बेहतर समझ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स, कैथोड, एनोड और सेल आर्किटेक्चर के विकास के साथ-साथ बैटरी निर्माण और संचालन के तनाव को प्रबंधित करने के लिए डिज़ाइन किए गए बैटरी पैक में स्थानांतरित हो जाएगी।
चित्र 1 लिथियम धातु ठोस-अवस्था बैटरी, यांत्रिकी और परिवहन घटना का योजनाबद्ध आरेख।
चित्र 2 लिथियम धातु की लंबाई का पैमाना और दर-निर्भर यांत्रिकी।
चित्र 3 अनाकार सामग्रियों में घनत्व और कतरनी प्रवाह से प्लास्टिसिटी उत्पन्न होती है और क्रिस्टलीय सिरेमिक में अव्यवस्थाओं की शुरूआत से इसे सख्त किया जाता है, जिससे फ्रैक्चर से बचा जा सकता है।
चित्र 4 LiPON में विकृति पुनर्प्राप्ति, जिसके परिणामस्वरूप नैनोइंडेंटेशन के चक्रीय लोडिंग के दौरान हिस्टैरिसीस जैसा व्यवहार होता है।
चित्र 5 समग्र ठोस कैथोड की थकान क्षति।
चित्र 6 ठोस इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से लिथियम प्रसार का योजनाबद्ध आरेख।
