Solid-state battery
एक सॉलिड-स्टेट बैटरी लिथियम-आयन या लिथियम पॉलिमर बैटरी में पाए जाने वाले तरल या पॉलिमर जेल इलेक्ट्रोलाइट्स के बजाय सॉलिड इलेक्ट्रोड और सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है। जबकि ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की खोज पहली बार 19वीं शताब्दी में की गई थी, कई कमियों ने व्यापक अनुप्रयोग को रोक दिया। 20वीं सदी के अंत और 21वीं सदी की शुरुआत में विकास ने सॉलिड-स्टेट बैटरी प्रौद्योगिकी में नए सिरे से रुचि पैदा की, विशेष रूप से 2010 के दशक में शुरू होने वाले इलेक्ट्रिक वाहनों के संदर्भ में। सॉलिड-स्टेट बैटरी संभावित रूप से तरल की कई समस्याओं को हल कर सकती हैं (अर्थात। मुख्यधारा की) ली-आयन बैटरियाँ, जैसे कि ज्वलनशीलता, सीमित वोल्टेज, अस्थिर ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ गठन, खराब साइकिलिंग प्रदर्शन और ताकत। सॉलिड-स्टेट बैटरियों में सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में उपयोग के लिए प्रस्तावित सामग्री में सिरेमिक (जैसे, ऑक्साइड, सल्फाइड, फॉस्फेट) और सॉलिड पॉलिमर शामिल हैं। सॉलिड-स्टेट बैटरियों का उपयोग पेसमेकर, आर. एफ. आई. डी. और पहनने योग्य उपकरणों में पाया गया है। सॉलिड-स्टेट बैटरियाँ उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ संभावित रूप से सुरक्षित हैं, लेकिन बहुत अधिक लागत पर। व्यापक रूप से अपनाने की चुनौतियों में ऊर्जा और बिजली घनत्व, स्थायित्व, सामग्री की लागत, संवेदनशीलता और स्थिरता शामिल हैं। 1831 और 1834 के बीच, माइकल फैराडे ने ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स सिल्वर सल्फाइड और सीसा (II) फ्लोराइड की खोज की, जिसने ठोस अवस्था आयनिक की नींव रखी। 1950 के दशक के अंत तक, कई चांदी-संवाहक विद्युत रासायनिक प्रणालियों ने ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को नियोजित किया, लेकिन ऐसी प्रणालियों में कम ऊर्जा घनत्व और कोशिका वोल्टेज और उच्च आंतरिक प्रतिरोध सहित अवांछनीय गुण थे। 1967 में, आयनों के एक व्यापक वर्ग (Li +, Na +, K +, Ag +, और Rb +) के लिए तेज आयनिक चालन β-एल्यूमिना की खोज ने ऊर्जा घनत्व में वृद्धि के साथ नए ठोस-अवस्था विद्युत रासायनिक उपकरणों के लिए उत्साह और विकास की शुरुआत की। सबसे तुरंत, पिघले हुए सोडियम/β-एल्यूमिना/सल्फर कोशिकाओं को अमेरिका में फोर्ड मोटर कंपनी और जापान में एनजीके में विकसित किया गया था। ठोस अवस्था इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए यह उत्साह दोनों कार्बनिक में नई प्रणालियों की खोज में प्रकट हुआ, अर्थात। पॉली (एथिलीन) ऑक्साइड (पी. ई. ओ.), और अकार्बनिक जैसे नैसिकॉन। हालांकि, इनमें से कई प्रणालियों को आमतौर पर ऊंचे तापमान पर संचालन की आवश्यकता होती है, और/या उत्पादन करने के लिए महंगे थे, जिससे केवल सीमित वाणिज्यिक तैनाती की जा सकती थी। ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा विकसित ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट का एक नया वर्ग, लिथियम-फॉस्फोरस ऑक्सीनाइट्राइड (लिपॉन), 1990 के दशक में उभरा। जबकि लाइपॉन का उपयोग पतली-फिल्म लिथियम-आयन बैटरियों को बनाने के लिए सफलतापूर्वक किया गया था, ऐसे अनुप्रयोग पतली-फिल्म इलेक्ट्रोलाइट के जमाव से जुड़ी लागत के कारण सीमित थे, साथ ही छोटी क्षमताओं के साथ जिन्हें पतली-फिल्म प्रारूप का उपयोग करके एक्सेस किया जा सकता था। 2011 में, कामाया एट अल का ऐतिहासिक कार्य। पहले ठोस-इलेक्ट्रोलाइट, ली10जीईपी2एस12 (एलजीपीएस) का प्रदर्शन किया, जो कमरे के तापमान पर तरल इलेक्ट्रोलाइट समकक्षों से अधिक थोक आयनिक चालकता प्राप्त करने में सक्षम है। इसके साथ, थोक ठोस-आयन संवाहक अंततः ली-आयन समकक्षों के साथ तकनीकी रूप से प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं, जिससे ठोस-अवस्था अनुसंधान के आधुनिक युग की शुरुआत हो सकती है। 2010 से वाणिज्यिक अनुसंधान और विकास जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी नई सहस्राब्दी में आगे बढ़ी, मोटर वाहन और परिवहन उद्योगों में शोधकर्ताओं और कंपनियों ने सॉलिड-स्टेट बैटरी प्रौद्योगिकियों में पुनर्जीवित रुचि का अनुभव किया। 2011 में, बोलोर ने अपनी ब्लूकार मॉडल कारों का एक बेड़ा लॉन्च किया, पहले कार शेयरिंग सेवा ऑटोलिब के सहयोग से, और बाद में खुदरा ग्राहकों के लिए जारी किया गया। कार का उद्देश्य अनुप्रयोग में कंपनी की विद्युत-संचालित कोशिकाओं की विविधता को प्रदर्शित करना था, और इसमें एक पॉलीमेरिक इलेक्ट्रोलाइट के साथ 30 किलोवाट घंटे की लिथियम धातु बहुलक (एल. एम. पी.) बैटरी थी, जिसे एक सह-पॉलिमर (पॉलीऑक्सीथिलीन) में लिथियम नमक को भंग करके बनाया गया था। 2012 में, टोयोटा ने जल्द ही इसका अनुसरण किया और ई. वी. बाजार में प्रतिस्पर्धी बने रहने के लिए मोटर वाहन उद्योग में अनुप्रयोगों के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरियों में प्रयोगात्मक अनुसंधान करना शुरू किया। उसी समय, वोक्सवैगन ने प्रौद्योगिकी में विशेषज्ञता रखने वाली छोटी प्रौद्योगिकी कंपनियों के साथ साझेदारी करना शुरू कर दिया। तकनीकी सफलताओं की एक श्रृंखला सामने आई। 2013 में, कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी के विकास की घोषणा की, जिसमें एक लौह-सल्फर रसायन विज्ञान पर आधारित एक ठोस समग्र कैथोड है, जो पहले से मौजूद एसएसबी की तुलना में उच्च ऊर्जा क्षमता का वादा करता है। 2017 में, ली-आयन बैटरियों के सह-आविष्कारक, जॉन गुडएनफ ने एक ग्लास इलेक्ट्रोलाइट और लिथियम, सोडियम या पोटेशियम से युक्त एक क्षारीय-धातु एनोड का उपयोग करते हुए एक ठोस-अवस्था ग्लास बैटरी का अनावरण किया। उस वर्ष बाद में, टोयोटा ने पैनासोनिक के साथ अपनी दशकों लंबी साझेदारी को गहरा करने की घोषणा की, जिसमें सॉलिड-स्टेट बैटरी पर सहयोग भी शामिल है। अपने प्रारंभिक गहन अनुसंधान और अन्य उद्योग नेताओं के साथ समन्वित सहयोग के कारण, टोयोटा के पास सबसे अधिक एसएसबी से संबंधित पेटेंट हैं। हालांकि, अन्य कार निर्माता स्वतंत्र रूप से सॉलिड-स्टेट बैटरी प्रौद्योगिकियों का विकास कर रहे हैं जो तेजी से बढ़ती सूची में शामिल हो गए जिसमें बीएमडब्ल्यू, होंडा, हुंडई मोटर कंपनी और निसान शामिल हैं। अन्य मोटर वाहन से संबंधित कंपनियों, जैसे कि स्पार्क प्लग निर्माता एन. जी. के. ने पारंपरिक जीवाश्म-ईंधन प्रतिमान के कथित अप्रचलन को देखते हुए सिरेमिक-आधारित सॉलिड-स्टेट बैटरियों की बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए अपनी व्यावसायिक विशेषज्ञता और मॉडलों को फिर से तैयार किया है। प्रमुख विकास 2018 में जारी रहे, जब सॉलिड पावर, कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय की अनुसंधान टीम से अलग हुई, सैमसंग और हुंडई से एक छोटी सी विनिर्माण लाइन स्थापित करने के लिए $20 मिलियन का वित्त पोषण प्राप्त किया, जो प्रति वर्ष अनुमानित 10 मेगावाट घंटे की क्षमता के साथ अपने सभी ठोस-राज्य, रिचार्जेबल लिथियम-धातु बैटरी प्रोटोटाइप की प्रतियों का उत्पादन कर सकती थी। क्वांटमस्केप, एक अन्य सॉलिड-स्टेट बैटरी स्टार्टअप जो एक कॉलेजिएट रिसर्च ग्रुप (इस मामले में, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय) से निकला, उसी वर्ष ध्यान आकर्षित किया, जब वोक्सवैगन ने टीम के शोध में $100 मिलियन के निवेश की घोषणा की, जो सबसे बड़ा हितधारक बन गया, जिसमें निवेशक बिल गेट्स भी शामिल हुए। सॉलिड-स्टेट बैटरियों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक संयुक्त उत्पादन परियोजना स्थापित करने के लक्ष्य के साथ, फॉक्सवैगन ने जून 2020 में क्वांटमस्केप को अतिरिक्त 20 करोड़ डॉलर और 29 नवंबर, 2020 को एनवाईएसई पर क्वांटमस्केप आई. पी. ओ. को केनसिंगटन कैपिटल एक्विजिशन के साथ विलय के हिस्से के रूप में प्रदान किया, ताकि परियोजना के लिए अतिरिक्त इक्विटी पूंजी जुटाई जा सके। क्वांटमस्केप ने "2024 की दूसरी छमाही में बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू करने के लिए निर्धारित किया है।" "विशेष उपकरण और उच्च-स्तरीय डिजिटल उत्पादों" के लिए एसएसबी की आपूर्ति करने के प्रारंभिक इरादे के साथ, किंग ताओ ने 2018 में भी सॉलिड-स्टेट बैटरी की पहली चीनी उत्पादन लाइन शुरू की; हालाँकि, कंपनी ने संभावित रूप से मोटर वाहन क्षेत्र में विस्तार करने के इरादे से कई कार निर्माताओं के साथ बात की है। जुलाई 2021 में, मुराटा मैन्युफैक्चरिंग ने घोषणा की कि वह आने वाले महीनों में सभी ठोस-अवस्था वाली बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू कर देगा, जिसका उद्देश्य उन्हें इयरफ़ोन और अन्य पहनने योग्य वस्तुओं के निर्माताओं को आपूर्ति करना है। बैटरी क्षमता 3.8V पर 25एमएएच तक है, जो इसे ईयरबड्स जैसे छोटे मोबाइल उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाती है, लेकिन इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए नहीं। विद्युत वाहनों में उपयोग की जाने वाली लिथियम-आयन कोशिकाएं आम तौर पर समान वोल्टेज पर 2,000 से 5,000 एमएएच प्रदान करती हैंः एक ईवी को समतुल्य शक्ति प्रदान करने के लिए मुराटा कोशिकाओं से कम से कम 100 गुना अधिक की आवश्यकता होगी। फोर्ड मोटर कंपनी और बीएमडब्ल्यू ने स्टार्टअप सॉलिड पावर को 13 करोड़ डॉलर के साथ वित्त पोषित किया, और 2022 तक कंपनी ने कुल 54 करोड़ डॉलर जुटाए हैं। सितंबर 2021 में, टोयोटा ने लागत और कम बिजली की आवश्यकताओं के कारण 2025 में हाइब्रिड मॉडल से शुरू होने वाले कुछ भविष्य के कार मॉडल में सॉलिड-स्टेट बैटरी का उपयोग करने की अपनी योजना की घोषणा की। 2022 की शुरुआत में, स्विस क्लीन बैटरी (एस. सी. बी.) ने 2024 तक फ्राउनफेल्ड में टिकाऊ सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए दुनिया का पहला कारखाना खोलने की अपनी योजना की घोषणा की, जिसमें 1.2 जी. डब्ल्यू. एच. का प्रारंभिक वार्षिक उत्पादन होगा, जिसे 7.6 जी. डब्ल्यू. एच. तक बढ़ाने की योजना है। जनवरी 2022 में, प्रोलोगियम ने डेमलर समूह की सहायक कंपनी मर्सिडीज-बेंज के साथ एक तकनीकी सहयोग समझौते पर हस्ताक्षर किए। मर्सिडीज-बेंज द्वारा निवेशित धन का उपयोग सॉलिड-स्टेट बैटरी विकास और उत्पादन की तैयारी के लिए किया जाएगा। जुलाई 2022 में, स्वोल्ट ने 350-400 Wh/किलोग्राम के ऊर्जा घनत्व के साथ 20 आह इलेक्ट्रिक बैटरी के उत्पादन की घोषणा की। अक्टूबर 2023 में, टोयोटा ने 2028 से शुरू होने वाले अपने इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरी का उत्पादन करने के लिए इडेमित्सु कोसन के साथ साझेदारी की घोषणा की। जून 2023 में, मैक्सेल कॉर्पोरेशन ने बड़ी क्षमता वाली सभी ठोस अवस्था वाली बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू कर दिया है। बड़े पैमाने पर उत्पादित इस बैटरी में बहुत लंबा जीवन और गर्मी प्रतिरोध है। इसके अलावा, 200 एमएमएएच बेलनाकार ठोस अवस्था वाली बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन जनवरी 2024 में शुरू होगा। आकार (व्यास 23 मिमी/ऊंचाई 27 मिमी) सामग्री सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स (एस. एस. ई.) उम्मीदवार सामग्री में लिथियम ऑर्थोसिलिकेट, ग्लास, सल्फाइड और आर. बी. ए. जी. 4. आई. 5 जैसे चीनी मिट्टी के बर्तन शामिल हैं। मुख्यधारा के ऑक्साइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में Li1.5Al0.5Ge1.5 (PO4) 3 (एलएजीपी), Li1.4Al0.4Ti1.6 (PO4) 3 (एलएटीपी), पेरोव्स्काइट-प्रकार Li3xLa2/3-xTiO3 (एलएलटीओ), और धातु ली के साथ गार्नेट-प्रकार Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (एलएलजेडओ) शामिल हैं। चार एस. एस. ई. की तापीय स्थिरता बनाम ली एल. ए. जी. पी. <एल. ए. टी. पी. <एल. एल. टी. ओ. <एल. एल. जेड. ओ. के क्रम में थी। क्लोराइड सुपरियोनिक कंडक्टरों को एक अन्य आशाजनक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के रूप में प्रस्तावित किया गया है। वे आयनिक प्रवाहक के साथ-साथ विकृत सल्फाइड भी होते हैं, लेकिन साथ ही सल्फाइड की खराब ऑक्सीकरण स्थिरता से परेशान नहीं होते हैं। इसके अलावा, उनकी लागत ऑक्साइड और सल्फाइड एस. एस. ई. की तुलना में कम मानी जाती है। वर्तमान क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट प्रणालियों को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता हैः Li3MCl6 और Li2M2/3Cl4। एम तत्वों में वाई, टीबी-लू, एससी और इन शामिल हैं। कैथोड लिथियम आधारित होते हैं। प्रकारों में शामिल हैं LiKOO2, LiNi1/3Ko1/3Mn1/3O2, LiMn2O4, और LiNi0.8Co0.15Al0.05O2। एनोड अधिक भिन्न होते हैं और इलेक्ट्रोलाइट के प्रकार से प्रभावित होते हैं। उदाहरणों में शामिल हैं In, Si, GExSi1−x, SnO-B2O3, SnS-P2S5, Li2FeS2, FeS, NiP2, और Li2SiS3। एक आशाजनक कैथोड सामग्री ली-एस है, जिसमें (एक ठोस लिथियम एनोड/ली2एस कोशिका के हिस्से के रूप में) 1670 एमएएच जी-1 की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता है, जो लीकोओ2 के प्रभावी मूल्य से दस गुना अधिक है। सल्फर तरल इलेक्ट्रोलाइट अनुप्रयोगों में एक अनुपयुक्त कैथोड बनाता है क्योंकि यह अधिकांश तरल इलेक्ट्रोलाइट्स में घुलनशील होता है, जिससे बैटरी का जीवनकाल नाटकीय रूप से कम हो जाता है। सल्फर का अध्ययन ठोस अवस्था अनुप्रयोगों में किया जाता है। हाल ही में, एक चीनी मिट्टी का कपड़ा विकसित किया गया था जो ली-एस सॉलिड-स्टेट बैटरी में आशाजनक था। इस वस्त्र ने सल्फर लोडिंग को संभालते हुए आयन संचरण की सुविधा प्रदान की, हालांकि यह अनुमानित ऊर्जा घनत्व तक नहीं पहुंचा। "500-माइक्रोन-मोटी इलेक्ट्रोलाइट समर्थन और इलेक्ट्रोलाइट क्षेत्र के 63 प्रतिशत उपयोग के साथ" परिणाम "71 डब्ल्यूएच/किग्रा" था। जबकि अनुमानित ऊर्जा घनत्व 500 डब्ल्यूएच/किग्रा था। ली-ओ2 में भी उच्च सैद्धांतिक क्षमता होती है। इन उपकरणों के साथ मुख्य समस्या यह है कि एनोड को परिवेशी वातावरण से सील किया जाना चाहिए, जबकि कैथोड इसके संपर्क में होना चाहिए। एक ली/लीफेपो4 बैटरी विद्युत वाहनों के लिए एक ठोस-अवस्था अनुप्रयोग के रूप में वादा दिखाती है। 2010 के एक अध्ययन ने इस सामग्री को ईवी के लिए रिचार्जेबल बैटरियों के एक सुरक्षित विकल्प के रूप में प्रस्तुत किया जो "यूएसएबीसी-डीओई लक्ष्यों को पार कर जाता है"। शुद्ध सिलिकॉन के साथ एक सेल। |SSE। |NCM811 एनोड डैरेन एच. एस. टैन एट अल द्वारा असेंबल किया गया था। माइक्रोएसआई एनोड (99.9 डब्ल्यूटी% की शुद्धता), सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट (एसएसई) और लिथियम-निकल-कोबाल्ट-मैंगनीज ऑक्साइड (एनसीएम811) कैथोड का उपयोग करना। इस तरह की सॉलिड-स्टेट बैटरी ने 5 एमए सेमी-2 तक उच्च धारा घनत्व, कार्यशील तापमान (-20 डिग्री सेल्सियस और 80 डिग्री सेल्सियस) की एक विस्तृत श्रृंखला, और 11 एमएएच सेमी-2 (2890 एमएएच/जी) तक की क्षेत्रीय क्षमता (एनोड के लिए) का प्रदर्शन किया। उसी समय, 5 mA cm−2 के तहत 500 चक्रों के बाद, बैटरी अभी भी 80 प्रतिशत क्षमता प्रतिधारण प्रदान करती हैं, जो कि अब तक रिपोर्ट की गई सभी सॉलिड-स्टेट बैटरी का सबसे अच्छा प्रदर्शन है। क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स भी पारंपरिक ऑक्साइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उम्मीद दिखाते हैं क्योंकि क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में सैद्धांतिक रूप से उच्च आयनिक चालकता और बेहतर संरचनाशीलता होती है। इसके अलावा क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट की असाधारण रूप से उच्च ऑक्सीकरण स्थिरता और उच्च लचीलापन इसके प्रदर्शन में वृद्धि करता है। विशेष रूप से झोउ एट टेल द्वारा विकसित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का एक लिथियम मिश्रित-धातु क्लोराइड परिवार, संरचना की एक विस्तृत श्रृंखला में उच्च आयनिक चालकता (2 एमएस सेमी-1) दिखाता है। यह क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट के कारण है जिसका उपयोग लेपित कैथोड सक्रिय सामग्री और इसकी कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता के विपरीत नंगे कैथोड सक्रिय सामग्री के संयोजन में किया जा सकता है। कम, लेकिन फिर भी प्रभावशाली, आयनिक चालकता के साथ वैकल्पिक सस्ती क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट संरचनाएँ एक Li2ZrCl6 ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ पाई जा सकती हैं। यह विशेष रूप से क्लोराइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट कमरे के उच्च तापमान आयनिक चालकता (0.81 एम. एस. सी. एम.-1), विकृति को बनाए रखता है और इसमें उच्च आर्द्रता सहिष्णुता होती है। उपयोग सॉलिड-स्टेट बैटरी संभावित रूप से पेसमेकर, आर. एफ. आई. डी., पहनने योग्य उपकरणों और विद्युत वाहनों में उपयोगी हैं। इलेक्ट्रिक वाहन हाइब्रिड और प्लग-इन इलेक्ट्रिक कारें विभिन्न प्रकार की बैटरी प्रौद्योगिकियों का उपयोग करती हैं, जिनमें ली-आयन, निकल-धातु हाइड्राइड (एन. आई. एम. एच.), लेड-एसिड और इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कैपेसिटर (या अल्ट्राकेपेसिटर) शामिल हैं, जिसमें ली-आयन बाजार पर हावी है। होंडा ने 2022 में कहा कि उसने 2024 की शुरुआत में ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के उत्पादन के लिए एक प्रदर्शन लाइन का संचालन शुरू करने की योजना बनाई है, और निसान ने घोषणा की कि वित्त वर्ष 2028 तक, उसका लक्ष्य ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के साथ एक इलेक्ट्रिक वाहन लॉन्च करना है जिसे इन-हाउस विकसित किया जाना है। जून 2023 में, टोयोटा ने बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए अपनी रणनीति को अपडेट किया, यह घोषणा करते हुए कि वे कम से कम 2027 तक वाणिज्यिक सॉलिड-स्टेट बैटरी का उपयोग नहीं करेंगे। पहनने योग्य नए पहनने योग्य उपकरणों की प्राप्ति में उच्च ऊर्जा घनत्व और कठोर वातावरण में भी उच्च प्रदर्शन रखने की विशेषताओं की उम्मीद की जाती है जो पहले से छोटे और अधिक विश्वसनीय हैं। अंतरिक्ष में उपकरण मार्च 2021 में, औद्योगिक निर्माता हिताची ज़ोसेन कॉर्पोरेशन ने एक सॉलिड-स्टेट बैटरी की घोषणा की, जिसके बारे में उन्होंने दावा किया कि यह उद्योग में उच्चतम क्षमताओं में से एक है और इसकी एक व्यापक परिचालन तापमान सीमा है, जो संभावित रूप से अंतरिक्ष जैसे कठोर वातावरण के लिए उपयुक्त है। फरवरी 2022 में एक परीक्षण मिशन शुरू किया गया था, और अगस्त में, जापान एयरोस्पेस एक्सप्लोरेशन एजेंसी (जेएएक्सए) ने घोषणा की कि सॉलिड-स्टेट बैटरी ने अंतरिक्ष में ठीक से काम किया है, अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर जापानी एक्सपेरिमेंट मॉड्यूल किबो में कैमरा उपकरण को शक्ति प्रदान की है। ड्रोन पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में हल्के वजन और अधिक शक्तिशाली होने के कारण यह उचित है कि ड्रोन सॉलिड-स्टेट बैटरियों से लाभान्वित होंगे। वायु एयरोस्पेस, एक ड्रोन निर्माता और डिजाइनर, ने अपने जी1 लंबे उड़ान ड्रोन में उन्हें शामिल करने के बाद उड़ान के समय में वृद्धि का उल्लेख किया। पोर्टेबल सौर जनरेटर 2023 में, योशिनो सॉलिड स्टेट पोर्टेबल सौर जनरेटर का पहला उत्पादक बन गया, जो गैर-सॉलिड स्टेट लिथियम (एन. एम. सी., एल. एफ. पी.) जनरेटर का 2.5 गुना अधिक ऊर्जा घनत्व, डबल रेटेड और सर्ज एसी आउटपुट वाटेज है। चुनौती लागत पतली-फिल्म ठोस-अवस्था वाली बैटरियाँ निर्माण प्रक्रियाओं को बनाने और नियोजित करने के लिए महंगी होती हैं जिन्हें मापना मुश्किल माना जाता है, जिसके लिए महंगे निर्वात निक्षेपण उपकरण की आवश्यकता होती है। नतीजतन, उपभोक्ता-आधारित अनुप्रयोगों में थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरियों की लागत निषेधात्मक हो जाती है। 2012 में यह अनुमान लगाया गया था कि, तत्कालीन-वर्तमान तकनीक के आधार पर, एक 20 आह सॉलिड-स्टेट बैटरी सेल की कीमत 100,000 अमेरिकी डॉलर होगी, और एक उच्च-श्रेणी की इलेक्ट्रिक कार को 800 और 1,000 के बीच ऐसे सेल की आवश्यकता होगी। इसी तरह, लागत ने स्मार्टफोन जैसे अन्य क्षेत्रों में थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरी को अपनाने में बाधा उत्पन्न की है। तापमान और दबाव संवेदनशीलता कम तापमान संचालन चुनौतीपूर्ण हो सकते हैं। ऐतिहासिक रूप से सॉलिड-स्टेट बैटरियों का प्रदर्शन खराब रहा है। सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट्स वाली सॉलिड-स्टेट बैटरियों को इलेक्ट्रोड के साथ संपर्क बनाए रखने के लिए उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। सिरेमिक विभाजक वाली सॉलिड-स्टेट बैटरी यांत्रिक तनाव से टूट सकती हैं। नवंबर 2022 में, क्योटो विश्वविद्यालय, टोटोरी विश्वविद्यालय और सुमितोमो केमिकल से युक्त जापानी शोध समूह ने घोषणा की कि वे इलेक्ट्रोलाइट के लिए सह-पॉलीमराइज्ड नई सामग्री का उपयोग करके 230Wh/किलोग्राम क्षमता के साथ दबाव लागू किए बिना ठोस-अवस्था बैटरी को स्थिर रूप से संचालित करने में कामयाब रहे हैं। जून 2023 में, ओसाका मेट्रोपॉलिटन विश्वविद्यालय में ग्रेजुएट स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के जापानी शोध समूह ने घोषणा की कि वे कमरे के तापमान पर (α-) के उच्च तापमान चरण को स्थिर करने में सफल रहे हैं। यह कांच को क्रिस्टलीकृत करने के लिए तेजी से गर्म करने के माध्यम से था। एक कैथोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच उच्च अंतरफलक प्रतिरोध सभी ठोस अवस्था वाली बैटरियों के लिए एक लंबे समय से चली आ रही समस्या रही है। मुखान्तर अस्थिरता इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट की मुखान्तर अस्थिरता हमेशा ठोस अवस्था वाली बैटरियों में एक गंभीर समस्या रही है। इलेक्ट्रोड के साथ सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट संपर्क के बाद, इंटरफेस पर रासायनिक और/या इलेक्ट्रोकेमिकल साइड रिएक्शन आमतौर पर एक निष्क्रिय इंटरफेस का उत्पादन करते हैं, जो इलेक्ट्रोड-एस. एस. ई. इंटरफेस में ली + के प्रसार को बाधित करता है। उच्च-वोल्टेज साइकिल चलाने पर, कुछ एस. एस. ई. ऑक्सीडेटिव क्षरण से गुजर सकते हैं। ठोस-अवस्था बैटरियों में ठोस लिथियम (ली) धातु एनोड उच्च ऊर्जा घनत्व, सुरक्षा और तेजी से पुनर्भरण समय के लिए लिथियम-आयन बैटरियों में प्रतिस्थापन उम्मीदवार हैं। इस तरह के एनोड ली डेंड्राइट के गठन और विकास से पीड़ित होते हैं, गैर-समान धातु की वृद्धि जो इलेक्ट्रोलाइट में प्रवेश करती है जिससे विद्युत शॉर्ट सर्किट होते हैं। यह कमी ऊर्जा निर्वहन, अत्यधिक गर्मी, और कभी-कभी थर्मल पलायन के कारण आग या विस्फोट की ओर ले जाती है। ली डेंड्राइट कूलोम्बिक दक्षता को कम करते हैं। डेंड्राइट विकास के सटीक तंत्र अनुसंधान का विषय बने हुए हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में धातु डेंड्राइट वृद्धि का अध्ययन ऊँचे तापमान पर पिघले हुए सोडियम/सोडियम-β-एल्यूमिना/सल्फर कोशिकाओं के शोध के साथ शुरू हुआ। इन प्रणालियों में, डेंड्राइट कभी-कभी सोडियम/ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर प्लेटिंग-प्रेरित दबाव की उपस्थिति के कारण सूक्ष्म-दरार विस्तार के परिणामस्वरूप बढ़ते हैं। हालांकि, ठोस इलेक्ट्रोलाइट के रासायनिक क्षरण के कारण भी डेंड्राइट वृद्धि हो सकती है। ली धातु के लिए स्थिर ली-आयन ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में, डेंड्राइट मुख्य रूप से इलेक्ट्रोड/ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर दबाव बनने के कारण फैलते हैं, जिससे दरार बढ़ जाती है। इस बीच, ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए जो अपनी संबंधित धातु के खिलाफ रासायनिक रूप से अस्थिर हैं, इंटरफ़ेज़ वृद्धि और अंततः दरार अक्सर डेंड्राइट्स को बनने से रोकती है। ठोस अवस्था ली-आयन कोशिकाओं में डेंड्राइट वृद्धि को उच्च तापमान पर कोशिकाओं को संचालित करके, या कठोर इलेक्ट्रोलाइट्स को तोड़ने के लिए अवशिष्ट तनाव का उपयोग करके कम किया जा सकता है, जिससे डेंड्राइट को विक्षेपित किया जा सकता है और डेंड्राइट प्रेरित शॉर्ट-सर्किटिंग में देरी हो सकती है। सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट और लिथियम मेटल एनोड के बीच एल्यूमीनियम युक्त इलेक्ट्रॉनिक रेक्टिफाइंग इंटरफ़ेज़ भी डेंड्राइट के विकास को रोकने में प्रभावी साबित हुए हैं। यांत्रिक विफलता सॉलिड-स्टेट बैटरियों में एक सामान्य विफलता तंत्र चार्ज और निर्वहन के दौरान एनोड और कैथोड में आयतन परिवर्तन के माध्यम से यांत्रिक विफलता है जो मेजबान संरचनाओं से ली-आयनों को जोड़ने और हटाने के कारण होती है। कैथोड कैथोड में आम तौर पर आयन चालन में सहायता के लिए एस. एस. ई. कणों के साथ मिश्रित सक्रिय कैथोड कण होते हैं। जैसे-जैसे बैटरी चार्ज/डिस्चार्ज होती है, कैथोड कण आमतौर पर कुछ प्रतिशत के क्रम में आयतन में बदलते हैं। इस आयतन परिवर्तन से अंतर-कण रिक्त स्थान का निर्माण होता है जो कैथोड और एस. एस. ई. कणों के बीच संपर्क को खराब करता है, जिसके परिणामस्वरूप आयन परिवहन में प्रतिबंध के कारण क्षमता का महत्वपूर्ण नुकसान होता है। इस मुद्दे का एक प्रस्तावित समाधान कैथोड कणों में आयतन परिवर्तन की अनिसोट्रोपी का लाभ उठाना है। जैसा कि कई कैथोड पदार्थ केवल कुछ क्रिस्टलोग्राफिक दिशाओं के साथ आयतन परिवर्तन का अनुभव करते हैं, यदि द्वितीयक कैथोड कणों को क्रिस्टलोग्राफिक दिशा के साथ उगाया जाता है जो आवेश/निर्वहन के साथ बहुत अधिक विस्तार नहीं करता है, तो कणों के आयतन में परिवर्तन को कम किया जा सकता है। एक अन्य प्रस्तावित समाधान विभिन्न कैथोड सामग्रियों को मिश्रण करना है जिनमें उचित अनुपात में विपरीत विस्तार रुझान होते हैं जैसे कि कैथोड का शुद्ध आयतन परिवर्तन शून्य हो। उदाहरण के लिए, लीकोऑ2 (एलसीओ) और LiNi0.9Mn0.05Co0.05O2 (एनएमसी) ली-आयन बैटरियों के लिए दो प्रसिद्ध कैथोड सामग्री हैं। एल. सी. ओ. को छुट्टी दिए जाने पर आयतन विस्तार से गुजरते हुए दिखाया गया है जबकि एन. एम. सी. को छुट्टी दिए जाने पर आयतन संकुचन से गुजरते हुए दिखाया गया है। इस प्रकार, सही अनुपात में एल. सी. ओ. और एन. एम. सी. के एक समग्र कैथोड में निर्वहन के तहत न्यूनतम आयतन परिवर्तन हो सकता है क्योंकि एन. एम. सी. के संकुचन की भरपाई एल. सी. ओ. के विस्तार से की जाती है। आदर्श रूप से एक सॉलिड-स्टेट बैटरी अपनी उच्च ऊर्जा क्षमता के कारण शुद्ध लिथियम धातु के एनोड का उपयोग करेगी। हालांकि, लिथियम चार्ज के दौरान लगभग 5 माइक्रोन प्रति 1 एमएएच/सी. एम. 2 प्लेटेड ली पर आयतन की बड़ी वृद्धि से गुजरता है। एक झरझरा सूक्ष्म संरचना वाले इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए, इस विस्तार से दबाव में वृद्धि होती है जिससे इलेक्ट्रोलाइट छिद्रों और कोशिका के छोटे हिस्से के माध्यम से ली धातु रेंग सकती है। लिथियम धातु में 453के का अपेक्षाकृत कम गलनांक और 50 केजे/मोल के आत्म-प्रसार के लिए कम सक्रियण ऊर्जा होती है, जो कमरे के तापमान पर महत्वपूर्ण रूप से रेंगने की इसकी उच्च प्रवृत्ति का संकेत देती है। यह दिखाया गया है कि कमरे के तापमान पर लिथियम पावर-लॉ क्रीप से गुजरता है जहां तापमान पिघलने के बिंदु के सापेक्ष इतना अधिक होता है कि धातु में विस्थापन बाधाओं से बचने के लिए उनके ग्लाइड प्लेन से बाहर चढ़ सकते हैं। पावर-लॉ क्रीप के तहत क्रीप तनाव इस प्रकार दिया जाता हैः जहाँ गैस स्थिरांक है, तापमान है, एक अक्षीय तनाव दर है, क्रीप तनाव है, और लिथियम धातु के लिए,। लिथियम धातु को एनोड के रूप में उपयोग करने के लिए, 0.8 एमपीए के उपज तनाव के क्रम पर कोशिका दबाव को अपेक्षाकृत कम मानों तक कम करने के लिए बहुत सावधानी बरतनी चाहिए। लिथियम धातु एनोड के लिए सामान्य कार्यशील कोशिका दबाव 1 से 7 एमपीए तक होता है। लिथियम धातु पर दबाव को कम करने के लिए कुछ संभावित रणनीतियों में एक चयनित स्प्रिंग स्थिरांक या पूरी कोशिका के नियंत्रित दबाव के स्प्रिंग्स वाली कोशिकाओं का उपयोग करना है। एक अन्य रणनीति कुछ ऊर्जा क्षमता का त्याग करना और एक लिथियम धातु मिश्र धातु एनोड का उपयोग करना हो सकता है जिसमें आमतौर पर शुद्ध लिथियम धातु की तुलना में अधिक पिघलने का तापमान होता है, जिसके परिणामस्वरूप रेंगने की प्रवृत्ति कम होती है। जबकि ये मिश्र धातुएँ लिथियम धातु की तुलना में अक्सर अधिक मात्रा में लिथियम धातु के साथ काम करने पर काफी विस्तार करती हैं, उनके पास बेहतर यांत्रिक गुण भी होते हैं जो उन्हें लगभग 50 एमपीए दबाव पर काम करने की अनुमति देते हैं। इस उच्च कोशिका दबाव में संभवतः कैथोड में शून्य गठन को कम करने का अतिरिक्त लाभ भी है। माना जाता है कि सॉलिड-स्टेट बैटरी तकनीक उच्च ऊर्जा घनत्व (2.5x) प्रदान करती है। वे वाणिज्यिक बैटरियों में पाए जाने वाले खतरनाक या विषाक्त पदार्थों के उपयोग से बच सकते हैं, जैसे कि जैविक इलेक्ट्रोलाइट्स। क्योंकि अधिकांश तरल इलेक्ट्रोलाइट्स ज्वलनशील होते हैं और ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स गैर-ज्वलनशील होते हैं, माना जाता है कि ठोस अवस्था वाली बैटरियों में आग लगने का खतरा कम होता है। कम सुरक्षा प्रणालियों की आवश्यकता होती है, जिससे मॉड्यूल या सेल पैक स्तर पर ऊर्जा घनत्व और बढ़ जाता है। हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि थर्मल रनवे के तहत तरल इलेक्ट्रोलाइट वाली पारंपरिक बैटरियों के अंदर गर्मी का उत्पादन केवल ~20-30% है। माना जाता है कि सॉलिड-स्टेट बैटरी तकनीक तेजी से चार्ज करने की अनुमति देती है। उच्च वोल्टेज और लंबा चक्र जीवन भी संभव है। थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरी पृष्ठभूमि सबसे पुरानी थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरी 1986 में केइची कानेहोरी द्वारा पाई गई थी, जो ली इलेक्ट्रोलाइट पर आधारित है। हालाँकि, उस समय, प्रौद्योगिकी बड़े इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए अपर्याप्त थी इसलिए यह पूरी तरह से विकसित नहीं थी। हाल के वर्षों में इस क्षेत्र में बहुत शोध हुआ है। गारबायो ने प्रदर्शित किया कि 2018 में पतली-फिल्म ली-गार्नेट सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए क्रिस्टलीय अवस्थाओं के अलावा "पॉलीमॉर्फिज्म" मौजूद है, मोरन ने प्रदर्शित किया कि पर्याप्त मात्रा में 2021 में 1-20 माइक्रोन की वांछित आकार सीमा के साथ सिरेमिक फिल्मों का निर्माण किया जा सकता है। संरचना एनोड सामग्रीः ली अपने भंडारण गुणों के कारण अनुकूल है, अल, सी और एसएन के मिश्र धातु भी एनोड के रूप में उपयुक्त हैं। कैथोड सामग्रीः हल्के वजन, अच्छी चक्रीय क्षमता और उच्च ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है। आम तौर पर इसमें लीकोओ2, लीफेपो4, टीआईएस2, वी2ओ5 और लीमनओ2 शामिल होते हैं। तैयारी की तकनीकें कुछ विधियाँ नीचे सूचीबद्ध हैं। भौतिक विधियाँः मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग (एमएस) पतली-फिल्म निर्माण के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाओं में से एक है, जो भौतिक वाष्प निक्षेपण पर आधारित है। आयन-बीम निक्षेपण (आईबीडी) पहली विधि के समान है, हालांकि, पूर्वाग्रह लागू नहीं किया जाता है और इस प्रक्रिया में लक्ष्य और सब्सट्रेट के बीच प्लाज्मा नहीं होता है। पल्स्ड लेजर डिपोजिशन (पी. एल. डी.), इस विधि में उपयोग किए जाने वाले लेजर में लगभग 108 डब्ल्यू. सेमी.-2 तक की उच्च शक्ति वाली पल्स होती है। वैक्यूम वाष्पीकरण (वी. ई.) अल्फा-सी पतली परतें तैयार करने की एक विधि है। इस प्रक्रिया के दौरान, सी वाष्पित हो जाता है और धातु के सब्सट्रेट पर जमा हो जाता है। रासायनिक विधियाँः इलेक्ट्रोडिपोजिशन (ईडी) एसआई फिल्मों के निर्माण के लिए है, जो सुविधाजनक और आर्थिक रूप से व्यवहार्य तकनीक है। रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सी. वी. डी.) एक निक्षेपण तकनीक है जो उच्च गुणवत्ता और शुद्धता के साथ पतली परतें बनाने की अनुमति देती है। ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा डिपोजिशन (जी. डी. पी. डी.) एक मिश्रित भौतिक रासायनिक प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया में, फिल्म में अतिरिक्त हाइड्रोजन सामग्री को कम करने के लिए संश्लेषण तापमान में वृद्धि की गई है। थिन-फिल्म प्रणाली लिथियम-ऑक्सीजन और नाइट्रोजन आधारित पॉलिमर थिन-फिल्म इलेक्ट्रोलाइट्स का विकास सॉलिड-स्टेट बैटरियों में पूरी तरह से उपयोग किया गया है। गैर-लाई आधारित थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरियों का अध्ययन किया गया है, जैसे कि एजी-डोप्ड जर्मेनियम चाल्कोजेनाइड थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम। बेरियम-डोप्ड थिन-फिल्म प्रणाली का भी अध्ययन किया गया है, जिसकी मोटाई कम से कम 2 माइक्रोन हो सकती है। इसके अलावा, नी भी पतली फिल्म में एक घटक हो सकता है। थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए इलेक्ट्रोलाइट्स बनाने के अन्य तरीके भी हैं, जो 1.electrostatic-spray निक्षेपण तकनीक हैं। डी. एस. एम.-सोलफिल प्रक्रिया और 3. लिथियम-आधारित थिन-फिल्म सॉलिड-स्टेट बैटरियों के प्रदर्शन में सुधार के लिए एमओओ3 नैनोबेल्ट का उपयोग करना। लाभ अन्य बैटरियों की तुलना में, थिन-फिल्म बैटरियों में उच्च ग्रेविमेट्रिक और साथ ही वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व दोनों होते हैं। ये संग्रहीत ऊर्जा के बैटरी प्रदर्शन को मापने के लिए महत्वपूर्ण संकेतक हैं। उच्च ऊर्जा घनत्व के अलावा, पतली-फिल्म ठोस-अवस्था वाली बैटरियों में लंबे जीवनकाल, उत्कृष्ट लचीलापन और कम वजन होता है। ये गुण विद्युत वाहनों, सैन्य सुविधाओं और चिकित्सा उपकरणों जैसे विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग के लिए उपयुक्त पतली-फिल्म ठोस-अवस्था वाली बैटरियों को बनाते हैं। चुनौती इसका प्रदर्शन और दक्षता इसकी ज्यामिति की प्रकृति से बाधित होती है। एक पतली-फिल्म बैटरी से खींची गई धारा काफी हद तक इलेक्ट्रोलाइट/कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट/एनोड इंटरफेस की ज्यामिति और इंटरफेस संपर्कों पर निर्भर करती है इलेक्ट्रोलाइट की कम मोटाई और इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर इंटरफैशियल प्रतिरोध पतली-फिल्म प्रणालियों के उत्पादन और एकीकरण को प्रभावित करता है। चार्जिंग-निर्वहन प्रक्रिया के दौरान, आयतन में काफी परिवर्तन से सामग्री का नुकसान होता है। सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट डाइवलेंट फास्ट आयन कंडक्टर आयनिक चालकता आयनिक क्रिस्टल जॉन बी. गुडएनफ बैटरी प्रकारों की सूची लिथियम-एयर बैटरी लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी सेपरेटर (बिजली) सुपरकैपेसिटर थिन-फिल्म लिथियम-आयन बैटरी संदर्भ आगे पढ़ने के लिए बाहरी लिंक 2000s परिचय