सॉलिड-स्टेट बॅटरी: "पर्यायी" कधी "मुख्य आधार" बनतील?

सॉलिड-स्टेट बॅटरीपुढील पिढीतील उर्जा स्त्रोत म्हणून उदयास येत आहेत, परंतु संकरित घन-द्रव बॅटरी प्रथम व्यावसायिकीकरण करतील आणि आजच्या द्रव लिथियम-आयन पेशी आणि भविष्यातील सर्व-सॉलिड-स्टेट सिस्टम्स यांच्यातील महत्त्वपूर्ण पूल म्हणून काम करतील.

सॉलिड-स्टेट बॅटरी काय आहेत

सॉलिड-स्टेट बॅटरी ज्वलनशील द्रव इलेक्ट्रोलाइट्स घन पदार्थांसह बदलतात आणि उच्च ऊर्जा घनता आणि उत्तम सुरक्षा कार्यप्रदर्शन सक्षम करतात. त्यांचे कॅथोड्स लिथियम-समृद्ध मँगनीज-आधारित संयुगे सारख्या उच्च-ऊर्जा सामग्रीचा वापर करू शकतात, तर एनोड नॅनो-सिलिकॉन आणि ग्रेफाइट एकत्र करून ऊर्जा घनता 300-450 Wh/kg पर्यंत ढकलू शकतात.

घन इलेक्ट्रोलाइट लिथियम आयन गळतीच्या जोखमीशिवाय वाहून नेतो आणि थर्मल पळून जाण्याची संभाव्यता लक्षणीयरीत्या कमी करतो.

उच्च-क्षमतेचे एनोड्स आणि उच्च-व्होल्टेज कॅथोड्स सॉलिड-स्टेट बॅटरींना इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये दीर्घकाळ ड्रायव्हिंग रेंज आणि ड्रोन किंवा ऊर्जा साठवण प्रणालींमध्ये सहनशक्ती सुधारण्याची क्षमता देतात.

संकरित घन-द्रव संक्रमण म्हणून

लेख लिक्विड, हायब्रिड सॉलिड-लिक्विड आणि ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बॅटरीज वेगळे करतो, हायब्रिड डिझाईन्स ही एक आवश्यक संक्रमण अवस्था आहे यावर जोर देते. बाजारातील अर्ध-घन, अर्ध-घन आणि "घन" बॅटरी मोठ्या प्रमाणात या संकरित श्रेणीमध्ये येतात, फक्त द्रव आणि घन इलेक्ट्रोलाइटच्या गुणोत्तरामध्ये भिन्न असतात.

हायब्रीड सॉलिड-लिक्विड बॅटरीमध्ये अजूनही काही द्रव इलेक्ट्रोलाइट असतात, जे सक्रिय पदार्थांशी संपर्क सुधारतात आणि उत्पादन सुलभ करतात.

सर्व-सॉलिड-स्टेट बॅटरीमध्ये फक्त घन इलेक्ट्रोलाइट असतात, जे उत्तम आंतरिक सुरक्षा आणि उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा घनता देतात परंतु आज अधिक गंभीर अभियांत्रिकी आव्हानांना तोंड देत आहेत.

पूर्ण घन-स्थितीत तांत्रिक अडथळे

जरी जगभरातील अनेक कंपन्या आणि संशोधन संस्था सॉलिड-स्टेट तंत्रज्ञानामध्ये गुंतवणूक करत आहेत, तरीही कोणत्याही मोठ्या क्षमतेच्या सॉलिड-स्टेट पॉवर सेलने अद्याप कार्यक्षमता आणि किंमत या दोन्ही बाबतीत द्रव लिथियम-आयन बॅटरीशी जुळवलेले नाही. मुख्य अडचण घन-घन इंटरफेसमध्ये आहे, जेथे कठोर इलेक्ट्रोलाइट सामग्री सायकलिंग आणि व्हॉल्यूम बदल दरम्यान इलेक्ट्रोडशी घनिष्ठ संपर्क राखणे कठीण करते.

सध्याच्या मार्गांमध्ये पॉलिमर, थिन-फिल्म, सल्फाइड आणि ऑक्साईड सॉलिड-स्टेट बॅटरीचा समावेश आहे, प्रत्येकाचे वेगळे फायदे आणि मर्यादा आहेत.

उदाहरणार्थ, पॉलिमर सॉलिड-स्टेट पेशी खोलीच्या तपमानावर आणि उच्च-व्होल्टेज कॅथोडसह संघर्ष करतात, तर सल्फाइड सिस्टम हवेसाठी संवेदनशील असतात आणि त्यांना उत्पादन परिस्थितीची मागणी असते.

इन-सीटू सॉलिडिफिकेशन धोरण

विद्यमान लिथियम-आयन पायाभूत सुविधांचा लाभ घेताना इंटरफेस समस्यांवर मात करण्यासाठी, संशोधकांनी संकरित घन-द्रव इलेक्ट्रोलाइट्ससाठी इन-सीटू सॉलिडिफिकेशन दृष्टिकोन प्रस्तावित केला आहे. सेल असेंब्ली दरम्यान, एक द्रव अग्रदूत चांगले ओले आणि संपर्क सुनिश्चित करते; नंतर, रासायनिक किंवा इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रिया या द्रवाचे सर्व किंवा काही भाग सेलच्या आत घन इलेक्ट्रोलाइटमध्ये रूपांतरित करतात.

ही पद्धत इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क सुधारते, लिथियम डेंड्राइटची वाढ रोखते आणि सुरक्षितता, उच्च व्होल्टेज आणि जलद-चार्ज कार्यप्रदर्शन संतुलित करते.

हे सध्याच्या लिथियम-आयन उत्पादन प्रक्रियेचा बराचसा पुनर्वापर देखील करू शकते, ज्यामुळे उत्पादकांना अधिक वेगाने स्केल करण्यात आणि खर्च कमी करण्यास मदत होते.

भविष्यातील विकासाची दिशा

तज्ञांची अपेक्षा आहे की सर्व-सॉलिड-स्टेट लिथियम बॅटरियांना खऱ्या मोठ्या प्रमाणावरील व्यावसायीकरणापूर्वी अंदाजे आणखी पाच वर्षे लागतील, म्हणून संकरित घन-द्रव उर्जा बॅटरी एक वास्तववादी नजीकचा मार्ग राहील. औद्योगिकीकरणाला गती देण्यासाठी, लेख सामग्री, सेल डिझाइन, उत्पादन आणि मानकांमध्ये समन्वित प्रगतीची आवश्यकता अधोरेखित करतो.

प्राधान्यांमध्ये हे समाविष्ट आहे: संतुलित आयनिक चालकता, स्थिरता आणि प्रक्रियाक्षमतेसह घन इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित करणे; उच्च-निकेल कॅथोड्स आणि सिलिकॉन-कार्बन किंवा लिथियम मेटल एनोड्स सारख्या उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोडशी जुळणारे; आणि इंटेलिजेंट मॅन्युफॅक्चरिंगसह डिजिटल सिम्युलेशन समाकलित करणे.

मुख्य सामग्रीसाठी मजबूत पुरवठा साखळी तयार करण्यासाठी, स्वयंचलित उपकरणांमध्ये गुंतवणूक करण्यासाठी, चाचणी आणि मूल्यमापन प्रणाली सुधारण्यासाठी आणि संकरित घन-द्रवातून हळूहळू विकसित होण्यासाठी उद्योगांना प्रोत्साहित केले जाते. लिथियम-आयन बॅटरीपूर्णपणे सॉलिड-स्टेट लिथियम मेटल बॅटरियांकडे.