Solid-state silicon battery
સોલિડ-સ્ટેટ સિલિકોન બેટરી અથવા સિલિકોન-એનોડ ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી એ રિચાર્જ કરી શકાય તેવી લિથિયમ-આયન બેટરીનો એક પ્રકાર છે જેમાં સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ, સોલિડ કેથોડ અને સિલિકોન આધારિત સોલિડ એનોડનો સમાવેશ થાય છે. સોલિડ-સ્ટેટ સિલિકોન બેટરીઓમાં, લિથિયમ આયન હકારાત્મક કેથોડથી નકારાત્મક સિલિકોન એનોડ સુધી નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી પસાર થાય છે. જ્યારે લિથિયમ-આયન બેટરીઓ માટે સિલિકોન એનોડ્સનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે, ત્યારે પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથે સામાન્ય અસંગતતાને કારણે તેમને મોટા ભાગે અવ્યવહારુ તરીકે બરતરફ કરવામાં આવ્યા હતા. 2021 માં વિકાસ દર્શાવે છે કે સોલિડ-સ્ટેટ સિલિકોન લિથિયમ-આયન બેટરીઓ શક્ય છે, અને ઘણા પૂર્વધારણા લાભો પ્રદાન કરે છે. સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ એનોડ સાથે વધુ સરળતાથી ઇન્ટરફેસ કરે છે. આ બેટરીઓ ઓછી ઊર્જા-ગાઢ સામગ્રીને બદલે સિલિકોનના ઉપયોગને કારણે અન્ય સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીઓથી અલગ છે. સિલિકોન સાથે કામ કરવું મુશ્કેલ છે કારણ કે તે લિથિયેશન દરમિયાન 300% પર વિસ્તરે છે (જેને લિથિયમ ઇન્ટરકલેશન તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે). આ અન્ય મોટી મુશ્કેલીમાં ફાળો આપે છેઃ બૅટરીની અંદર બિલ્ડઅપને કારણે લિથિયમની ખોટ. લિથિયમ-આયન બેટરીની દરખાસ્ત સૌપ્રથમ 1949 માં ફ્રેન્ચ પેટન્ટમાં કરવામાં આવી હતી. સંશોધન અને વિકાસની શરૂઆત 1960ના દાયકામાં થઈ હતી. આ બેટરીઓ શરૂઆતમાં કાર્બનિક પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો ઉપયોગ કરતી હતી, જેને બે મુખ્ય સમસ્યાઓનો સામનો કરવો પડ્યો હતોઃ કાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને લિથિયમ મેટલ એકસાથે અસ્થિર હતા, અને ડેંડ્રાઇટ્સ સાયકલ ચલાવતી વખતે વધ્યા હતા, જે શોર્ટ સર્કિટ તરફ દોરી શકે છે. 1980 ના દાયકામાં, બે ઉકેલો પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યા હતાઃ લિથિયમને અન્ય કોઈ સામગ્રી સાથે બદલો, નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરો. આમાંથી બીજામાં સંશોધન પ્રથમ રિચાર્જ કરી શકાય તેવી ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ મેટલ બેટરી તરફ દોરી ગયું. યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, સાન ડિએગોના ઇજનેરો અને એલજી એનર્જી સોલ્યુશન્સના સંશોધકો વચ્ચેના સહયોગથી લેબ પ્રોટોટાઇપ સિલિકોન-એનોડ સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી વિકસાવવામાં આવી હતી. નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને માઇક્રોસિલીકોન લેટીસ ઇલેક્ટ્રોડને જોડવાના પ્રયાસોએ ઉચ્ચ ઊર્જાની ઘનતા, સેંકડો ચાર્જિંગ ચક્રમાં ઓછી ક્ષમતાનું અધઃપતન અને ઓછા ચાર્જિંગ તાપમાન પ્રાપ્ત કર્યા. સિલિકોન વિ. લિથિયમ સિલિકોન એનોડ્સમાં 4200 એમએએચ/ગ્રામની સૈદ્ધાંતિક ચોક્કસ ઊર્જા હોય છે, જે ગ્રેફાઇટ એનોડ્સ સાથેની લિથિયમ-આયન બેટરીની 372 એમએએચ/ગ્રામ કરતા 10 ગણી વધારે હોય છે. જો કે, તેઓ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં અધોગતિ પામે છે અને ઊર્જા સ્થાનાંતરણ દરમિયાન વિસ્તરણ અને સંકોચન સાથે સમસ્યાઓનો સામનો કરે છે. આ સમસ્યાઓને ઘટાડવાના પ્રયાસોમાં વધુ સ્થિર સામગ્રી માટે અમુક ચોક્કસ ઊર્જાનો ત્યાગ કરીને એનોડની રચનાને બદલવાનો સમાવેશ થાય છે. પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથેની સમસ્યાઓને ઘટાડવાના અન્ય પ્રયાસોમાં વધુ કાર્યક્ષમ ઇન્ટરફેસિંગ માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટને સમાયોજિત કરવાનો સમાવેશ થાય છે. સિલિકોન સાથે સૌથી મોટી સમસ્યા એ છે કે એનોડમાં લિથિયમ આયનો ફસાય છે. મુશ્કેલીઓને કારણે, તમામ વ્યાવસાયિક અરજીઓ ત્યજી દેવામાં આવી હતી. ડિઝાઇન યુસીએસડી/એલજી એનર્જી સોલ્યુશન્સ આ ટેકનોલોજી સ્થિર કરવા માટે સલ્ફેટ સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ (એસએસઈ) નો ઉપયોગ કરે છે અને 99.9% વજનના એમયુએસઆઈ એનોડનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે. આ લિથિયેશન અને લિથિયમ ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિ દરમિયાન સિલિકોન એનોડના વોલ્યુમેટ્રિક ફેરફારોને મર્યાદિત કરે છે. કેથોડ લિથિયમ નિકલ કોબાલ્ટ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ છે. સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથેના μSiના સંપર્કને સપાટ, નક્કર સપાટી પર ઘટાડે છે. આ લી-સીનો ફેલાવો વધુ ઉલટાવી શકાય તેવો બનાવે છે. બિન-ધાતુયુક્ત લિથિયમ સ્ત્રોતનો ઉપયોગ ધાતુની લિથિયમ બેટરીને ચાર્જ કરવા માટે જરૂરી ઉચ્ચ તાપમાનને દૂર કરે છે. ઈન્ટરફેસ નીચા ચાર્જિંગ તાપમાન અને વધુ સારા ઇન્ટરફેસિંગને મંજૂરી આપવા માટે, બેટરી μSi | |SSE | |lithium-નિકલ-કોબાલ્ટ-મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (NCM811-LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) નો ઉપયોગ કરે છે. જ્યારે પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બેટરીઓ ઇલેક્ટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વચ્ચે ત્રિ-પરિમાણીય સંપર્ક ધરાવે છે, ત્યારે સિલિકોન સંપર્કના એક જ સ્તરને મંજૂરી આપવા માટે પૂરતું વાહક છે. લિથિયમ ઇન્ટરકલેશનને કારણે થતા વોલ્યુમેટ્રિક ફેરફાર દરમિયાન SSE અને μSi ઇલેક્ટ્રોડનું ઇન્ટરફેસ એક જ સમતલ રહે છે. એક જ પ્લેન બહુકોણીય ઇન્ટરફેસોને અટકાવે છે જે અન્યથા માળખાકીય નિષ્ફળતાનું કારણ બને છે. એનોડની લાક્ષણિક લિથિયમ-આયન બૅટરીઓ કાર્બન ધરાવતા એનોડનો ઉપયોગ કરે છે, જે હાલના સિલિકોન મિશ્રણ માટે વજન દ્વારા 20 થી 40 ટકા વચ્ચે હોય છે. આ સંપૂર્ણપણે ગ્રેફાઇટ હોઈ શકે છે, અથવા તેના બદલે કાર્બન એડિટિવ્સનો ઉપયોગ કરી શકે છે. કેથોડ તરીકે એન. સી. એમ. 811 નો ઉપયોગ કરતા પરીક્ષણમાં, કાર્બન એનોડમાં 2.5 વીનું પ્રારંભિક વોલ્ટેજ પ્લેટુ હતું. તે જ પરીક્ષણમાં સિલિકોન એનોડમાં 3.5 વીનું પ્રારંભિક વોલ્ટેજ પ્લેટુ હતું. એસ. એસ. ઈ. ને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિઘટનમાંથી પસાર થતા અટકાવવા માટે કાર્બન વિનાના એનોડનો ઉપયોગ કરવો મહત્વપૂર્ણ છે. કાર્બન એનોડ પણ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેઝનું નિર્માણ કરે છે, જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વિઘટનનું અનિચ્છનીય પરિણામ છે. કાર્બન મુક્ત બેટરીમાં, એસ. ઈ. આઈ. ઝડપથી સ્થિર થઈ. લિથિયમ ફોસ્ફરસ સલ્ફાઇડ ક્લોરાઇડ ઓછા પ્રતિક્રિયાશીલ ઉત્પાદનો બનાવે છે. સિલિકોન ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી સાથેનો સૌથી મહત્વપૂર્ણ મુદ્દો સમય જતાં બેટરીમાં પાવરની ખોટ ઘટાડવાનો છે, જે તેના જીવનકાળને મર્યાદિત કરે છે. સંદર્ભો ઇલેક્ટ્રોનિક્સ