सॉलिड-स्टेट बैटरियाँ: "विकल्प" कब "मुख्य आधार" बनेंगे?

सॉलिड-स्टेट बैटरियांअगली पीढ़ी के बिजली स्रोत के रूप में उभर रहे हैं, लेकिन हाइब्रिड सॉलिड-लिक्विड बैटरियों का पहले व्यावसायीकरण होने की संभावना है और यह आज की तरल लिथियम-आयन कोशिकाओं और भविष्य की ऑल-सॉलिड-स्टेट प्रणालियों के बीच एक महत्वपूर्ण पुल के रूप में कार्य करेगी।

सॉलिड-स्टेट बैटरियां क्या होती हैं

सॉलिड-स्टेट बैटरियां उच्च ऊर्जा घनत्व और बेहतर सुरक्षा प्रदर्शन को सक्षम करते हुए ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट्स को ठोस पदार्थों से बदल देती हैं। उनके कैथोड उच्च-ऊर्जा सामग्री जैसे लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित यौगिकों का उपयोग कर सकते हैं, जबकि एनोड नैनो-सिलिकॉन और ग्रेफाइट को मिलाकर ऊर्जा घनत्व को 300-450 Wh/kg तक बढ़ा सकते हैं।

एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट रिसाव के जोखिम के बिना लिथियम आयनों को वहन करता है और थर्मल भगोड़े की संभावना को काफी कम कर देता है।

उच्च क्षमता वाले एनोड और उच्च वोल्टेज कैथोड सॉलिड-स्टेट बैटरियों को इलेक्ट्रिक वाहनों में लंबी ड्राइविंग रेंज और ड्रोन या ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में बेहतर सहनशक्ति प्रदान करते हैं।

संक्रमण के रूप में संकर ठोस-तरल

लेख तरल, हाइब्रिड सॉलिड-लिक्विड और ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों को अलग करता है, इस बात पर जोर देता है कि हाइब्रिड डिज़ाइन एक आवश्यक संक्रमण चरण हैं। बाजार में अर्ध-ठोस, अर्ध-ठोस और "ठोस" बैटरियां काफी हद तक इस हाइब्रिड श्रेणी में आती हैं, जो केवल तरल से ठोस इलेक्ट्रोलाइट के अनुपात में भिन्न होती हैं।

हाइब्रिड ठोस-तरल बैटरियों में अभी भी कुछ तरल इलेक्ट्रोलाइट होते हैं, जो सक्रिय सामग्रियों के साथ संपर्क में सुधार करते हैं और विनिर्माण को आसान बनाते हैं।

ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों में केवल ठोस इलेक्ट्रोलाइट होता है, जो बेहतर आंतरिक सुरक्षा और उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व प्रदान करता है लेकिन आज अधिक गंभीर इंजीनियरिंग चुनौतियों का सामना कर रहा है।

पूर्ण ठोस अवस्था में तकनीकी बाधाएँ

हालाँकि दुनिया भर में कई कंपनियाँ और अनुसंधान संस्थान सॉलिड-स्टेट तकनीक में निवेश कर रहे हैं, लेकिन अभी तक किसी भी बड़ी क्षमता वाले सॉलिड-स्टेट पावर सेल ने प्रदर्शन और लागत दोनों में तरल लिथियम-आयन बैटरी की बराबरी नहीं की है। मुख्य कठिनाई ठोस-ठोस इंटरफ़ेस पर है, जहां कठोर इलेक्ट्रोलाइट सामग्री साइक्लिंग और वॉल्यूम परिवर्तन के दौरान इलेक्ट्रोड के साथ घनिष्ठ संपर्क बनाए रखना कठिन बनाती है।

वर्तमान मार्गों में पॉलिमर, थिन-फिल्म, सल्फाइड और ऑक्साइड सॉलिड-स्टेट बैटरियां शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक के अलग-अलग फायदे और सीमाएं हैं।

उदाहरण के लिए, पॉलिमर सॉलिड-स्टेट कोशिकाएं कमरे के तापमान पर और उच्च-वोल्टेज कैथोड के साथ संघर्ष करती हैं, जबकि सल्फाइड सिस्टम हवा के प्रति संवेदनशील होते हैं और उन्हें मांग वाली विनिर्माण स्थितियों की आवश्यकता होती है।

इन-सीटू ठोसकरण रणनीति

मौजूदा लिथियम-आयन बुनियादी ढांचे का लाभ उठाते हुए इंटरफ़ेस समस्याओं को दूर करने के लिए, शोधकर्ता हाइब्रिड ठोस-तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए इन-सीटू सॉलिडिफिकेशन दृष्टिकोण का प्रस्ताव करते हैं। सेल असेंबली के दौरान, एक तरल अग्रदूत अच्छा गीलापन और संपर्क सुनिश्चित करता है; बाद में, रासायनिक या इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाएं इस तरल के सभी या कुछ हिस्से को कोशिका के अंदर एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट में बदल देती हैं।

यह विधि इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क में सुधार करती है, लिथियम डेंड्राइट वृद्धि को दबाती है, और सुरक्षा, उच्च वोल्टेज और फास्ट-चार्ज प्रदर्शन को संतुलित करती है।

यह वर्तमान तरल लिथियम-आयन उत्पादन प्रक्रिया के अधिकांश भाग का पुन: उपयोग कर सकता है, जिससे निर्माताओं को अधिक तेज़ी से बढ़ने और लागत कम करने में मदद मिलती है।

भविष्य के विकास की दिशाएँ

विशेषज्ञों को उम्मीद है कि सभी सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों को वास्तविक बड़े पैमाने पर व्यावसायीकरण से पहले लगभग पांच साल और लगेंगे, इसलिए हाइब्रिड सॉलिड-लिक्विड पावर बैटरियां एक यथार्थवादी निकट अवधि का मार्ग बनी हुई हैं। औद्योगीकरण में तेजी लाने के लिए, लेख सामग्री, सेल डिजाइन, विनिर्माण और मानकों में समन्वित प्रगति की आवश्यकता पर प्रकाश डालता है।

प्राथमिकताओं में शामिल हैं: संतुलित आयनिक चालकता, स्थिरता और प्रक्रियात्मकता के साथ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित करना; उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोड जैसे उच्च-निकल कैथोड और सिलिकॉन-कार्बन या लिथियम धातु एनोड का मिलान; और बुद्धिमान विनिर्माण के साथ डिजिटल सिमुलेशन को एकीकृत करना।

उद्योग को प्रमुख सामग्रियों के लिए मजबूत आपूर्ति श्रृंखला बनाने, स्वचालित उपकरणों में निवेश करने, परीक्षण और मूल्यांकन प्रणालियों को परिष्कृत करने और धीरे-धीरे हाइब्रिड ठोस-तरल से विकसित करने के लिए प्रोत्साहित किया जाता है। लिथियम आयन बैटरीपूरी तरह से ठोस अवस्था वाली लिथियम धातु बैटरियों की ओर।