पृष्ठभूमि

1800 में, इतालवी भौतिक विज्ञानी ए वोल्टा ने वोल्टाइक पाइल का निर्माण किया, जिसने व्यावहारिक बैटरी की शुरुआत की और पहली बार इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण उपकरणों में इलेक्ट्रोलाइट के महत्व का वर्णन किया। इलेक्ट्रोलाइट को तरल या ठोस के रूप में इलेक्ट्रॉनिक रूप से इन्सुलेट और आयन-संचालन परत के रूप में देखा जा सकता है, जो नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच डाला जाता है। वर्तमान में, सबसे उन्नत इलेक्ट्रोलाइट ठोस लिथियम नमक (जैसे LiPF6) को गैर-जलीय कार्बनिक कार्बोनेट विलायक (जैसे EC और DMC) में घोलकर बनाया जाता है। सामान्य कोशिका रूप और डिज़ाइन के अनुसार, इलेक्ट्रोलाइट आम तौर पर कोशिका भार का 8% से 15% होता है। क्या'और अधिक, इसकी ज्वलनशीलता और इष्टतम ऑपरेटिंग तापमान रेंज -10 है°सी से 60°सी बैटरी ऊर्जा घनत्व और सुरक्षा में और सुधार में बहुत बाधा डालता है। इसलिए, नवीन इलेक्ट्रोलाइट फॉर्मूलेशन को अगली पीढ़ी की नई बैटरियों के विकास के लिए महत्वपूर्ण प्रवर्तक माना जाता है।

शोधकर्ता विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम विकसित करने के लिए भी काम कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, फ्लोरिनेटेड सॉल्वैंट्स का उपयोग जो कुशल लिथियम धातु साइक्लिंग, कार्बनिक या अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स प्राप्त कर सकता है जो वाहन उद्योग और "ठोस राज्य बैटरी" (एसएसबी) के लिए फायदेमंद हैं। मुख्य कारण यह है कि यदि ठोस इलेक्ट्रोलाइट मूल तरल इलेक्ट्रोलाइट और डायाफ्राम की जगह लेता है, तो बैटरी की सुरक्षा, एकल ऊर्जा घनत्व और जीवन में काफी सुधार हो सकता है। इसके बाद, हम मुख्य रूप से विभिन्न सामग्रियों के साथ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की अनुसंधान प्रगति का सारांश देते हैं।

अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स

अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग वाणिज्यिक इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण उपकरणों में किया गया है, जैसे कुछ उच्च तापमान वाली रिचार्जेबल बैटरी Na-S, Na-NiCl2 बैटरी और प्राथमिक Li-I2 बैटरी। 2019 में, हिताची ज़ोसेन (जापान) ने अंतरिक्ष में उपयोग की जाने वाली 140 एमएएच की एक ऑल-सॉलिड-स्टेट पाउच बैटरी का प्रदर्शन किया और अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर परीक्षण किया। यह बैटरी सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट और अन्य अज्ञात बैटरी घटकों से बनी है, जो -40 के बीच संचालित करने में सक्षम है°सी और 100°C. 2021 में कंपनी 1,000 एमएएच की उच्च क्षमता वाली सॉलिड बैटरी पेश कर रही है। हिताची ज़ोसेन कठोर वातावरण जैसे अंतरिक्ष और विशिष्ट वातावरण में काम करने वाले औद्योगिक उपकरणों के लिए ठोस बैटरियों की आवश्यकता को देखता है। कंपनी की योजना 2025 तक बैटरी क्षमता को दोगुना करने की है। लेकिन अभी तक, कोई ऑफ-द-शेल्फ ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी उत्पाद नहीं है जिसका उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों में किया जा सके।

कार्बनिक अर्ध-ठोस और ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स

कार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट श्रेणी में, फ्रांस के बोलोरे ने जेल-प्रकार पीवीडीएफ-एचएफपी इलेक्ट्रोलाइट और जेल-प्रकार पीईओ इलेक्ट्रोलाइट का सफलतापूर्वक व्यावसायीकरण किया है। कंपनी ने इस बैटरी तकनीक को इलेक्ट्रिक वाहनों में लागू करने के लिए उत्तरी अमेरिका, यूरोप और एशिया में कार-शेयरिंग पायलट कार्यक्रम भी शुरू किया है, लेकिन यात्री कारों में इस पॉलिमर बैटरी को कभी भी व्यापक रूप से नहीं अपनाया गया है। उनके खराब व्यावसायिक अपनाने में योगदान देने वाला एक कारक यह है कि उनका उपयोग केवल अपेक्षाकृत उच्च तापमान (50) पर किया जा सकता है°सी से 80°सी) और कम वोल्टेज रेंज। इन बैटरियों का उपयोग अब कुछ सिटी बसों जैसे वाणिज्यिक वाहनों में किया जा रहा है। कमरे के तापमान (यानी, लगभग 25) पर शुद्ध ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों के साथ काम करने का कोई मामला नहीं है°सी)।

सेमीसॉलिड श्रेणी में अत्यधिक चिपचिपे इलेक्ट्रोलाइट्स शामिल हैं, जैसे नमक-विलायक मिश्रण, इलेक्ट्रोलाइट समाधान जिसमें नमक की सांद्रता मानक 1 mol/L से अधिक होती है, सांद्रता या संतृप्ति बिंदु 4 mol/L तक होते हैं। संकेंद्रित इलेक्ट्रोलाइट मिश्रण के साथ एक चिंता का विषय फ्लोरिनेटेड लवण की अपेक्षाकृत उच्च सामग्री है, जो ऐसे इलेक्ट्रोलाइट्स की लिथियम सामग्री और पर्यावरणीय प्रभाव के बारे में भी सवाल उठाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि किसी परिपक्व उत्पाद के व्यावसायीकरण के लिए व्यापक जीवन चक्र विश्लेषण की आवश्यकता होती है। और तैयार अर्ध-ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए कच्चे माल को भी इलेक्ट्रिक वाहनों में अधिक आसानी से एकीकृत करने के लिए सरल और आसानी से उपलब्ध होने की आवश्यकता है।

हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्स

हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्स, जिन्हें मिश्रित इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में भी जाना जाता है, को ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की विनिर्माण क्षमता और स्केलेबिलिटी और स्टैकिंग तकनीक की आवश्यकताओं को ध्यान में रखते हुए, जलीय/कार्बनिक विलायक हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्स के आधार पर या ठोस इलेक्ट्रोलाइट में गैर-जलीय तरल इलेक्ट्रोलाइट समाधान जोड़कर संशोधित किया जा सकता है। हालाँकि, ऐसे हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्स अभी भी अनुसंधान चरण में हैं और कोई व्यावसायिक उदाहरण नहीं हैं।

इलेक्ट्रोलाइट्स के व्यावसायिक विकास के लिए विचार

ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का सबसे बड़ा लाभ उच्च सुरक्षा और लंबा चक्र जीवन है, लेकिन वैकल्पिक तरल या ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का मूल्यांकन करते समय निम्नलिखित बिंदुओं पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए:

• ठोस इलेक्ट्रोलाइट की विनिर्माण प्रक्रिया और सिस्टम डिज़ाइन। प्रयोगशाला गेज बैटरियों में आमतौर पर कई सौ माइक्रोन मोटे ठोस इलेक्ट्रोलाइट कण होते हैं, जो इलेक्ट्रोड के एक तरफ लेपित होते हैं। ये छोटी ठोस कोशिकाएँ बड़ी कोशिकाओं (10 से 100Ah) के लिए आवश्यक प्रदर्शन का प्रतिनिधित्व नहीं करती हैं, क्योंकि 10 ~ 100Ah की क्षमता वर्तमान पावर बैटरियों के लिए आवश्यक न्यूनतम विनिर्देश है।
• ठोस इलेक्ट्रोलाइट डायाफ्राम की भूमिका को भी बदल देता है। चूंकि इसका वजन और मोटाई पीपी/पीई डायाफ्राम से अधिक है, इसलिए इसे वजन घनत्व प्राप्त करने के लिए समायोजित किया जाना चाहिए≥350Wh/किलोऔर ऊर्जा घनत्व≥900Wh/एल इसके व्यावसायीकरण में बाधा डालने से बचने के लिए।

बैटरी हमेशा कुछ हद तक सुरक्षा जोखिम होती है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स, हालांकि यह तरल पदार्थों की तुलना में अधिक सुरक्षित है, जरूरी नहीं कि यह ज्वलनशील न हो। कुछ पॉलिमर और अकार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स ऑक्सीजन या पानी के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जिससे गर्मी और जहरीली गैसें पैदा होती हैं जो आग और विस्फोट का खतरा भी पैदा करती हैं। एकल कोशिकाओं के अलावा, प्लास्टिक, केस और पैक सामग्री अनियंत्रित दहन का कारण बन सकते हैं। इसलिए अंततः, एक समग्र, सिस्टम-स्तरीय सुरक्षा परीक्षण की आवश्यकता है।