पृष्ठभूमि

1800 मा, इटालियन भौतिकशास्त्री ए. भोल्टाले भोल्टेइक पाइल बनाए, जसले व्यावहारिक ब्याट्रीहरूको सुरुवात खोल्यो र पहिलो पटक इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भण्डारण उपकरणहरूमा इलेक्ट्रोलाइटको महत्त्व वर्णन गर्यो। इलेक्ट्रोलाइटलाई नकारात्मक र सकारात्मक इलेक्ट्रोडहरू बीच सम्मिलित तरल वा ठोस रूपमा इलेक्ट्रोनिक रूपमा इन्सुलेट र आयन-सञ्चालन तहको रूपमा देख्न सकिन्छ। हाल, सबैभन्दा उन्नत इलेक्ट्रोलाइट ठोस लिथियम नुन (जस्तै LiPF6) गैर-जलीय कार्बनिक कार्बोनेट विलायक (जस्तै EC र DMC) मा विघटन गरेर बनाइन्छ। सामान्य सेल फारम र डिजाइन अनुसार, इलेक्ट्रोलाइट सामान्यतया कोषको वजनको 8% देखि 15% सम्म हुन्छ। के's थप, यसको ज्वलनशीलता र इष्टतम परिचालन तापमान दायरा -10°C देखि 60 सम्म°C ले ब्याट्री ऊर्जा घनत्व र सुरक्षाको थप सुधारमा बाधा पुर्‍याउँछ। तसर्थ, अभिनव इलेक्ट्रोलाइट सूत्रहरू नयाँ ब्याट्रीहरूको अर्को पुस्ताको विकासको लागि प्रमुख सक्षमकर्ता मानिन्छ।

अन्वेषकहरूले विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट प्रणालीहरू विकास गर्न पनि काम गरिरहेका छन्। उदाहरणका लागि, फ्लोरिनेटेड सॉल्भेन्ट्सको प्रयोग जसले कुशल लिथियम मेटल साइकल चलाउन सक्छ, जैविक वा अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइटहरू जुन सवारी साधन उद्योग र "ठोस अवस्था ब्याट्रीहरू" (SSB) लाई फाइदा हुन्छ। मुख्य कारण यो हो कि यदि ठोस इलेक्ट्रोलाइटले मूल तरल इलेक्ट्रोलाइट र डायाफ्रामलाई प्रतिस्थापन गर्दछ भने, ब्याट्रीको सुरक्षा, एकल ऊर्जा घनत्व र जीवनमा उल्लेखनीय सुधार गर्न सकिन्छ। अर्को, हामी मुख्यतया विभिन्न सामग्री संग ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को अनुसन्धान प्रगति संक्षेप।

अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स

अकार्बनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइटहरू व्यावसायिक इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भण्डारण उपकरणहरूमा प्रयोग गरिएको छ, जस्तै केही उच्च-तापमान रिचार्जेबल ब्याट्रीहरू Na-S, Na-NiCl2 ब्याट्रीहरू र प्राथमिक Li-I2 ब्याट्रीहरू। 2019 मा फिर्ता, Hitachi Zosen (जापान) ले अन्तरिक्षमा प्रयोग गर्न र अन्तर्राष्ट्रिय अन्तरिक्ष स्टेशन (ISS) मा परीक्षण गर्नको लागि 140 mAh को सबै-ठोस-स्टेट पाउच ब्याट्री प्रदर्शन गर्‍यो। यो ब्याट्री सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट र अन्य अज्ञात ब्याट्री कम्पोनेन्टहरू मिलेर बनेको छ, जुन -40 को बीचमा सञ्चालन गर्न सक्षम छ।°C र 100°C. 2021 मा कम्पनीले 1,000 mAh को उच्च क्षमताको ठोस ब्याट्री प्रस्तुत गर्दैछ। हिताची जोसेनले सामान्य वातावरणमा सञ्चालन हुने ठाउँ र औद्योगिक उपकरण जस्ता कठोर वातावरणका लागि ठोस ब्याट्रीको आवश्यकता देख्छन्। कम्पनीले सन् २०२५ सम्ममा ब्याट्रीको क्षमता दोब्बर बनाउने योजना बनाएको छ। तर अहिलेसम्म विद्युतीय सवारीमा प्रयोग गर्न सकिने कुनै पनि अफ-द-सेल्फ अल-सोलिड-स्टेट ब्याट्री उत्पादन छैन।

अर्गानिक अर्ध-ठोस र ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स

जैविक ठोस इलेक्ट्रोलाइट श्रेणीमा, फ्रान्सको Bolloré ले सफलतापूर्वक एक जेल-प्रकार PVDF-HFP इलेक्ट्रोलाइट र एक जेल-प्रकार PEO इलेक्ट्रोलाइट व्यापारीकरण गरेको छ। कम्पनीले यो ब्याट्री प्रविधिलाई विद्युतीय सवारी साधनमा लागू गर्न उत्तर अमेरिका, युरोप र एसियामा कार सेयरिङ पायलट कार्यक्रमहरू पनि सुरु गरेको छ, तर यो पोलिमर ब्याट्रीलाई यात्रुवाहक कारहरूमा कहिल्यै व्यापक रूपमा अपनाइएको छैन। तिनीहरूको खराब व्यावसायिक अपनाउनेमा योगदान गर्ने एउटा कारक यो हो कि तिनीहरू केवल अपेक्षाकृत उच्च तापक्रममा प्रयोग गर्न सकिन्छ (50°C देखि 80 सम्म°C) र कम भोल्टेज दायराहरू। यी ब्याट्रीहरू अब केही शहरी बसहरू जस्ता व्यावसायिक सवारी साधनहरूमा प्रयोग भइरहेका छन्। कोठाको तापक्रममा शुद्ध ठोस पोलिमर इलेक्ट्रोलाइट ब्याट्रीहरूसँग काम गर्ने कुनै केसहरू छैनन् (अर्थात, लगभग 25°ग)।

सेमिसोलिड वर्गमा अत्यधिक चिपचिपा इलेक्ट्रोलाइटहरू समावेश छन्, जस्तै नुन-विलायक मिश्रणहरू, इलेक्ट्रोलाइट समाधान जसमा नुन सांद्रता मानक 1 mol/L भन्दा बढी हुन्छ, सांद्रता वा संतृप्ति बिन्दुहरू 4 mol/L सम्म। केन्द्रित इलेक्ट्रोलाइट मिश्रणको चिन्ता भनेको फ्लोरिनेटेड लवणको अपेक्षाकृत उच्च सामग्री हो, जसले लिथियम सामग्री र त्यस्ता इलेक्ट्रोलाइटहरूको वातावरणीय प्रभावको बारेमा पनि प्रश्न खडा गर्दछ। यो किनभने परिपक्व उत्पादनको व्यावसायीकरणको लागि एक व्यापक जीवन चक्र विश्लेषण आवश्यक छ। र तयार अर्ध-ठोस इलेक्ट्रोलाइट्सका लागि कच्चा पदार्थहरू पनि सरल र सजिलैसँग विद्युतीय सवारी साधनहरूमा एकीकृत हुनको लागि उपलब्ध हुनुपर्छ।

हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्स

हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइटहरू, जसलाई मिश्रित इलेक्ट्रोलाइटहरू पनि भनिन्छ, जलीय/जैविक विलायक हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्सको आधारमा परिमार्जन गर्न सकिन्छ वा ठोस इलेक्ट्रोलाइटमा गैर-जलीय तरल इलेक्ट्रोलाइट समाधान थपेर, ठोस इलेक्ट्रोलाइटहरूको उत्पादनशीलता र स्केलेबिलिटी र स्ट्याकिंग टेक्नोलोजीको आवश्यकताहरू विचार गर्दै। यद्यपि, त्यस्ता हाइब्रिड इलेक्ट्रोलाइटहरू अझै अनुसन्धान चरणमा छन् र त्यहाँ कुनै व्यावसायिक उदाहरणहरू छैनन्।

इलेक्ट्रोलाइट्स को व्यावसायिक विकास को लागी विचार

ठोस इलेक्ट्रोलाइट्सको सबैभन्दा ठूलो फाइदाहरू उच्च सुरक्षा र लामो चक्र जीवन हो, तर वैकल्पिक तरल वा ठोस इलेक्ट्रोलाइटहरू मूल्याङ्कन गर्दा निम्न बुँदाहरू ध्यानपूर्वक विचार गर्नुपर्छ:

• ठोस इलेक्ट्रोलाइटको निर्माण प्रक्रिया र प्रणाली डिजाइन। प्रयोगशाला गेज ब्याट्रीहरूमा सामान्यतया ठोस इलेक्ट्रोलाइट कणहरू हुन्छन् जसमा धेरै सय माइक्रोन बाक्लो हुन्छ, इलेक्ट्रोडको एक छेउमा लेपित हुन्छ। यी साना ठोस कक्षहरू ठूला कक्षहरू (10 देखि 100Ah) को लागि आवश्यक कार्यसम्पादनको प्रतिनिधि होइनन्, किनकि 10 ~ 100Ah को क्षमता वर्तमान पावर ब्याट्रीहरूको लागि आवश्यक न्यूनतम विशिष्टता हो।
• ठोस इलेक्ट्रोलाइटले डायाफ्रामको भूमिकालाई पनि बदल्छ। यसको तौल र मोटाई PP/PE डायाफ्राम भन्दा बढी भएको हुनाले तौलको घनत्व प्राप्त गर्न यसलाई समायोजन गर्नुपर्छ।≥350Wh/kgर ऊर्जा घनत्व≥900Wh/यसको व्यावसायीकरणमा बाधा आउन नदिन एल.

ब्याट्री सधैं केही हदसम्म सुरक्षा जोखिम हो। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स, यद्यपि यो तरल पदार्थ भन्दा सुरक्षित छ, आवश्यक रूपमा गैर-ज्वलनशील छैन। केही पोलिमरहरू र अकार्बनिक इलेक्ट्रोलाइटहरूले अक्सिजन वा पानीसँग प्रतिक्रिया गर्न सक्छन्, ताप र विषाक्त ग्यासहरू उत्पादन गर्छन् जसले आगो र विस्फोटको खतरा पनि निम्त्याउँछ। एकल कक्षहरू बाहेक, प्लास्टिक, केसहरू र प्याक सामग्रीहरूले अनियन्त्रित दहन निम्त्याउन सक्छ। त्यसैले अन्ततः, एक समग्र, प्रणाली-स्तर सुरक्षा परीक्षण आवश्यक छ।