Solid-state silicon battery
एक सॉलिड-स्टेट सिलिकॉन बैटरी या सिलिकॉन-एनोड ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी एक प्रकार की रिचार्जेबल लिथियम-आयन बैटरी है जिसमें एक सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट, सॉलिड कैथोड और सिलिकॉन-आधारित सॉलिड एनोड होता है। ठोस अवस्था सिलिकॉन बैटरियों में, लिथियम आयन एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एक सकारात्मक कैथोड से एक नकारात्मक सिलिकॉन एनोड तक यात्रा करते हैं। जबकि लिथियम-आयन बैटरियों के लिए सिलिकॉन एनोड का अध्ययन किया गया है, उन्हें तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ सामान्य असंगतता के कारण काफी हद तक अक्षम के रूप में खारिज कर दिया गया था। 2021 में विकास से पता चला कि ठोस-अवस्था सिलिकॉन लिथियम-आयन बैटरी संभव हैं, और कई कल्पित लाभ प्रदान करते हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स अधिक आसानी से एनोड के साथ इंटरफेस करते हैं। ये बैटरियाँ कम ऊर्जा-सघन सामग्री के बजाय सिलिकॉन के उपयोग के कारण अन्य ठोस-अवस्था वाली बैटरियों से अलग होती हैं। सिलिकॉन के साथ काम करना मुश्किल है क्योंकि यह लिथियेशन के दौरान 300% पर फैलता है (जिसे लिथियम इंटरकेलेशन भी कहा जाता है)। यह दूसरी बड़ी कठिनाई में योगदान देता हैः बैटरी के भीतर निर्माण के कारण लिथियम का नुकसान। लिथियम-आयन बैटरियों को पहली बार 1949 के फ्रांसीसी पेटेंट में प्रस्तावित किया गया था। 1960 के दशक में अनुसंधान और विकास शुरू हुआ। इन बैटरियों में शुरू में कार्बनिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया जाता था, जो दो मुख्य मुद्दों का सामना करते थेः कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स और लिथियम धातु एक साथ अस्थिर थे, और डेंड्राइट साइकिल चलाने के दौरान बढ़ते थे, जिससे शॉर्ट सर्किट हो सकते थे। 1980 के दशक में, दो समाधान प्रस्तावित किए गए थेः लिथियम को किसी अन्य सामग्री से बदलें, एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करें। इनमें से दूसरे में अनुसंधान ने पहली रिचार्जेबल ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम धातु बैटरियों को जन्म दिया। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के इंजीनियरों और एलजी एनर्जी सॉल्यूशंस के शोधकर्ताओं के बीच सहयोग से एक प्रयोगशाला प्रोटोटाइप सिलिकॉन-एनोड सॉलिड-स्टेट बैटरी विकसित की गई थी। एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट और एक माइक्रोसिलिकॉन जाली इलेक्ट्रोड को संयोजित करने के प्रयासों ने उच्च ऊर्जा घनत्व, सैकड़ों चार्जिंग चक्रों में कम क्षमता क्षरण और कम चार्जिंग तापमान हासिल किया। सिलिकॉन बनाम लिथियम सिलिकॉन एनोड में 4200 एमएएच/जी की सैद्धांतिक विशिष्ट ऊर्जा होती है, जो ग्रेफाइट एनोड के साथ लिथियम-आयन बैटरी के 372 एमएएच/जी से 10 गुना अधिक है। हालांकि, वे तरल इलेक्ट्रोलाइट्स में खराब हो जाते हैं और ऊर्जा हस्तांतरण के दौरान विस्तार और संकुचन के साथ समस्याओं का सामना करते हैं। इन मुद्दों को कम करने के प्रयासों में अधिक स्थिर सामग्री के लिए कुछ विशिष्ट ऊर्जा का त्याग करके एनोड की संरचना को बदलना शामिल है। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ समस्याओं को कम करने के अन्य प्रयासों में अधिक कुशल इंटरफेसिंग के लिए इलेक्ट्रोलाइट को समायोजित करना शामिल है। सिलिकॉन के साथ सबसे बड़ी समस्या एनोड में लिथियम आयनों का फंसना है। कठिनाइयों के कारण, सभी वाणिज्यिक अनुप्रयोगों को छोड़ दिया गया था। डिजाइन यू. सी. एस. डी./एल. जी. ऊर्जा समाधान यह तकनीक स्थिर करने के लिए सल्फेट सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स (एस. एस. ई.) का उपयोग करती है और एक 99.9% वजन के एम. यू. एस. आई. एनोड के उपयोग की अनुमति देती है। यह लिथियेशन और लिथियम डेंड्राइट वृद्धि के दौरान सिलिकॉन एनोड के आयतन परिवर्तनों को सीमित करता है। कैथोड लिथियम निकल कोबाल्ट मैंगनीज ऑक्साइड है। एक ठोस अवस्था इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के साथ μSi के संपर्क को एक सपाट, ठोस सतह तक कम कर देता है। यह ली-सी के प्रसार को अधिक प्रतिवर्ती बनाता है। एक गैर-धातु लिथियम स्रोत का उपयोग उच्च तापमान को समाप्त करता है जिसे धातु लिथियम बैटरी को चार्ज करने की आवश्यकता होती है। इंटरफेस कम चार्जिंग तापमान और बेहतर इंटरफेस की अनुमति देने के लिए, बैटरी का उपयोग करता है। |SSE। |lithium-निकेल-कोबाल्ट-मैंगनीज ऑक्साइड (NCM811-LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)। जबकि तरल इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों में इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच त्रि-आयामी संपर्क होता है, सिलिकॉन संपर्क के एकल तल की अनुमति देने के लिए पर्याप्त प्रवाहकीय होता है। एस. एस. ई. और एम. यू. एस. आई. इलेक्ट्रोड का इंटरफेस लिथियम इंटरकेलेशन के कारण होने वाले आयतन परिवर्तन के दौरान एक ही तल बना रहता है। एक एकल तल बहु-कोण वाले इंटरफेस को रोकता है जो अन्यथा संरचनात्मक विफलता का कारण बनते हैं। एनोड विशिष्ट लिथियम-आयन बैटरी कार्बन युक्त एनोड का उपयोग करती है, जो मौजूदा सिलिकॉन मिश्रणों के लिए वजन द्वारा 20 और 40 प्रतिशत के बीच होती है। यह पूरी तरह से ग्रेफाइट हो सकता है, या इसके बजाय कार्बन योजकों का उपयोग किया जा सकता है। कैथोड के रूप में एन. सी. एम. 811 का उपयोग करते हुए एक परीक्षण में, एक कार्बन एनोड में 2.5 वी का प्रारंभिक वोल्टेज पठार था। उसी परीक्षण में सिलिकॉन एनोड में 3.5 वी का प्रारंभिक वोल्टेज पठार था। कार्बन के बिना एनोड का उपयोग करना एस. एस. ई. को विद्युत रासायनिक अपघटन से गुजरने से रोकने के लिए महत्वपूर्ण है। कार्बन एनोड ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ के निर्माण का कारण भी बना, जो इलेक्ट्रोलाइट अपघटन का एक अवांछनीय परिणाम है। कार्बन मुक्त बैटरी में, एस. ई. आई. जल्दी से स्थिर हो गया। लिथियम फॉस्फोरस सल्फाइड क्लोराइड कम प्रतिक्रियाशील उत्पाद बनाता है। सिलिकॉन ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी के साथ सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा समय के साथ बैटरी में बिजली के नुकसान को कम करना है, जो इसके जीवनकाल को सीमित करता है। संदर्भ इलेक्ट्रॉनिक्स