Solid-state silicon battery
সলিড-স্টেট সিলিকন ব্যাটারি বা সিলিকন-অ্যানোড অল-সলিড-স্টেট ব্যাটারি হল এক ধরনের রিচার্জেবল লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি যা একটি সলিড ইলেক্ট্রোলাইট, সলিড ক্যাথোড এবং সিলিকন-ভিত্তিক সলিড অ্যানোড নিয়ে গঠিত। সলিড-স্টেট সিলিকন ব্যাটারিতে, লিথিয়াম আয়নগুলি একটি ধনাত্মক ক্যাথোড থেকে একটি ঋণাত্মক সিলিকন অ্যানোডে কঠিন তড়িৎবিশ্লেষ্যের মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে। যদিও লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য সিলিকন অ্যানোডগুলি অধ্যয়ন করা হয়েছে, তরল তড়িৎবিশ্লেষ্যের সাথে সাধারণ অসঙ্গতির কারণে এগুলি মূলত অসম্ভব হিসাবে খারিজ করা হয়েছিল। 2021 সালের উন্নয়নগুলি দেখায় যে সলিড-স্টেট সিলিকন লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলি সম্ভব, এবং অনেকগুলি অনুমানমূলক সুবিধা প্রদান করে। সলিড ইলেক্ট্রোলাইটগুলি অ্যানোডের সাথে আরও সহজে ইন্টারফেস করে। কম শক্তি-ঘন উপকরণের পরিবর্তে সিলিকন ব্যবহারের কারণে এই ব্যাটারিগুলি অন্যান্য সলিড-স্টেট ব্যাটারিগুলির থেকে আলাদা। সিলিকন নিয়ে কাজ করা কঠিন কারণ এটি লিথিয়েশনের সময় 300%-এর উপরে প্রসারিত হয় (যা লিথিয়াম আন্তঃসংযোগ নামেও পরিচিত)। এটি অন্য বড় সমস্যায় অবদান রাখেঃ ব্যাটারির মধ্যে গঠনের কারণে লিথিয়ামের ক্ষতি। 1949 সালে ফরাসি পেটেন্টে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি প্রথম প্রস্তাব করা হয়েছিল। 1960-এর দশকে গবেষণা ও উন্নয়ন শুরু হয়। এই ব্যাটারিগুলি প্রাথমিকভাবে জৈব তরল তড়িৎবিশ্লেষ্য ব্যবহার করত, যা দুটি প্রধান সমস্যার মুখোমুখি হয়েছিলঃ জৈব তড়িৎবিশ্লেষ্য এবং লিথিয়াম ধাতু একসাথে অস্থিতিশীল ছিল এবং সাইকেল চালানোর সময় ডেনড্রাইট বৃদ্ধি পেয়েছিল, যা শর্ট সার্কিটের দিকে নিয়ে যেতে পারে। 1980-এর দশকে দুটি সমাধানের প্রস্তাব দেওয়া হয়েছিলঃ লিথিয়ামকে অন্য কোনও উপাদান দিয়ে প্রতিস্থাপন করা, একটি কঠিন তড়িৎবিশ্লেষ্য ব্যবহার করা। এর মধ্যে দ্বিতীয়টির গবেষণার ফলে প্রথম রিচার্জেবল অল-সলিড-স্টেট লিথিয়াম ধাতব ব্যাটারি তৈরি হয়। ক্যালিফোর্নিয়া বিশ্ববিদ্যালয়, সান দিয়েগোর প্রকৌশলী এবং এলজি এনার্জি সলিউশনের গবেষকদের সহযোগিতায় একটি ল্যাব প্রোটোটাইপ সিলিকন-আনোড সলিড-স্টেট ব্যাটারি তৈরি করা হয়েছিল। একটি কঠিন তড়িৎবিশ্লেষ্য এবং একটি মাইক্রোসিলিকন জাল বিদ্যুদ্বাহককে একত্রিত করার প্রচেষ্টা উচ্চ শক্তির ঘনত্ব, শত শত চার্জিং চক্রের মধ্যে কম ক্ষমতার অবনতি এবং কম চার্জিং তাপমাত্রা অর্জন করেছে। সিলিকন বনাম লিথিয়াম সিলিকন অ্যানোডের তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট শক্তি 4200 এমএএইচ/জি, যা গ্রাফাইট অ্যানোড সহ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির 372 এমএএইচ/জি-এর 10 গুণেরও বেশি। যাইহোক, তারা তরল তড়িৎবিশ্লেষ্যগুলিতে অবনমিত হয় এবং শক্তি স্থানান্তরের সময় সম্প্রসারণ ও সংকোচনের সমস্যাগুলির মুখোমুখি হয়। এই সমস্যাগুলি প্রশমিত করার প্রচেষ্টাগুলির মধ্যে আরও স্থিতিশীল পদার্থের জন্য কিছু নির্দিষ্ট শক্তি ত্যাগ করে আনোডের কাঠামো পরিবর্তন করা জড়িত। তরল ইলেক্ট্রোলাইটের সমস্যাগুলি প্রশমিত করার অন্যান্য প্রচেষ্টাগুলির মধ্যে আরও দক্ষ ইন্টারফেসিংয়ের জন্য ইলেক্ট্রোলাইট সামঞ্জস্য করা জড়িত। সিলিকন নিয়ে সবচেয়ে বড় সমস্যা হল অ্যানোডে লিথিয়াম আয়নগুলির ফাঁদে ফেলা। সমস্যার কারণে, বাণিজ্যিক অ্যাপ্লিকেশনগুলি বাদ দেওয়া হয়েছিল। ডিজাইন ইউ. সি. এস. ডি/এল. জি এনার্জি সলিউশন এই প্রযুক্তি সালফেট সলিড-স্টেট ইলেক্ট্রোলাইট (এস. এস. ই) ব্যবহার করে স্থিতিশীল করে এবং একটি <আই. ডি1> ওজনের ইউ. এস. আই অ্যানোড ব্যবহারের অনুমতি দেয়। এটি লিথিয়েশন এবং লিথিয়াম ডেনড্রাইট বৃদ্ধির সময় সিলিকন অ্যানোডের ভলিউমেট্রিক পরিবর্তনকে সীমাবদ্ধ করে। ক্যাথোড হল লিথিয়াম নিকেল কোবাল্ট ম্যাঙ্গানিজ অক্সাইড। একটি কঠিন-অবস্থা তড়িৎবিশ্লেষ্যের ব্যবহার তড়িৎবিশ্লেষ্যের সাথে একটি সমতল, কঠিন পৃষ্ঠে μSi-এর যোগাযোগকে হ্রাস করে। এটি লি-সি-এর বিস্তারকে আরও বিপরীতমুখী করে তোলে। একটি অ-ধাতব লিথিয়াম উৎসের ব্যবহার ধাতব লিথিয়াম ব্যাটারি চার্জ করার জন্য প্রয়োজনীয় উচ্চ তাপমাত্রা দূর করে। ইন্টারফেস কম চার্জিং তাপমাত্রা এবং আরও ভাল ইন্টারফেসিংয়ের অনুমতি দেওয়ার জন্য ব্যাটারিটি ব্যবহার করে-নিকেল-কোবাল্ট-ম্যাঙ্গানিজ অক্সাইড (এন. সি. এম. 811-<আই. ডি. 1>)। তরল তড়িৎবিশ্লেষ্য ব্যাটারির তড়িৎদ্বার এবং তড়িৎবিশ্লেষ্যের মধ্যে ত্রিমাত্রিক যোগাযোগ থাকলেও সিলিকন একটি একক সমতলে যোগাযোগের অনুমতি দেওয়ার জন্য যথেষ্ট পরিবাহী। লিথিয়াম আন্তঃসংযোগের কারণে ভলিউমেট্রিক পরিবর্তনের সময় এস. এস. ই এবং এম. ইউ. এস. আই বিদ্যুদ্বাহকের আন্তঃপৃষ্ঠ একটি একক সমতলে থাকে। একটি একক সমতল বহু-কোণযুক্ত ইন্টারফেসগুলিকে বাধা দেয় যা অন্যথায় কাঠামোগত ব্যর্থতার কারণ হয়। অ্যানোডের সাধারণ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলি বিদ্যমান সিলিকন মিশ্রণের জন্য ওজনের দিক থেকে 20 থেকে 40 শতাংশের মধ্যে কার্বনযুক্ত একটি অ্যানোড ব্যবহার করে। এটি সম্পূর্ণরূপে গ্রাফাইট হতে পারে, অথবা পরিবর্তে কার্বন সংযোজন ব্যবহার করতে পারে। ক্যাথোড হিসাবে এন. সি. এম. 811 ব্যবহার করে একটি পরীক্ষায়, একটি কার্বন অ্যানোডের প্রাথমিক ভোল্টেজ মালভূমি ছিল 2.5 ভি। একই পরীক্ষায় সিলিকন অ্যানোডের প্রাথমিক ভোল্টেজ মালভূমি ছিল 3.5 ভি। কার্বন ছাড়া একটি অ্যানোড ব্যবহার করা এস. এস. ই-কে তড়িৎরাসাযনিক পচন থেকে রক্ষা করার জন্য গুরুত্বপূর্ণ। কার্বন অ্যানোড কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেজ তৈরি করে, যা ইলেক্ট্রোলাইট পচনের একটি অবাঞ্ছিত ফলাফল। কার্বন-মুক্ত ব্যাটারিতে, এসইআই দ্রুত স্থিতিশীল হয়। লিথিয়াম ফসফরাস সালফাইড ক্লোরাইড কম প্রতিক্রিয়াশীল পণ্য গঠন করে। সিলিকন অল-সলিড-স্টেট ব্যাটারিগুলির সাথে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ সমস্যা হল সময়ের সাথে সাথে ব্যাটারিতে শক্তির ক্ষতি হ্রাস করা, যা তার জীবনকালকে সীমাবদ্ধ করে। রেফারেন্স ইলেকট্রনিক্স