पार्श्वभूमी

1800 मध्ये, इटालियन भौतिकशास्त्रज्ञ ए. व्होल्टाने व्होल्टेइक पाइल तयार केला, ज्याने व्यावहारिक बॅटरीची सुरुवात केली आणि प्रथमच इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा स्टोरेज उपकरणांमध्ये इलेक्ट्रोलाइटचे महत्त्व वर्णन केले. इलेक्ट्रोलाइटला इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेट आणि आयन-संवाहक स्तर म्हणून द्रव किंवा घन स्वरूपात पाहिले जाऊ शकते, नकारात्मक आणि सकारात्मक इलेक्ट्रोड्समध्ये घातले जाते. सध्या, सर्वात प्रगत इलेक्ट्रोलाइट घन लिथियम मीठ (उदा. LiPF6) नॉन-जलीय सेंद्रिय कार्बोनेट सॉल्व्हेंट (उदा. EC आणि DMC) मध्ये विरघळवून तयार केले जाते. सामान्य सेल फॉर्म आणि डिझाइननुसार, इलेक्ट्रोलाइट सामान्यत: सेल वजनाच्या 8% ते 15% पर्यंत असतो. काय's अधिक, त्याची ज्वलनशीलता आणि इष्टतम ऑपरेटिंग तापमान श्रेणी -10°सी ते 60°C बॅटरी उर्जा घनता आणि सुरक्षिततेच्या पुढील सुधारणांमध्ये मोठ्या प्रमाणात अडथळा आणतो. म्हणून, नवीन बॅटरीच्या पुढील पिढीच्या विकासासाठी नाविन्यपूर्ण इलेक्ट्रोलाइट फॉर्म्युलेशन हे मुख्य सक्षम मानले जाते.

संशोधक विविध इलेक्ट्रोलाइट प्रणाली विकसित करण्यासाठी देखील काम करत आहेत. उदाहरणार्थ, फ्लोरिनेटेड सॉल्व्हेंट्सचा वापर जे कार्यक्षम लिथियम मेटल सायकलिंग, सेंद्रिय किंवा अजैविक घन इलेक्ट्रोलाइट्स जे वाहन उद्योगासाठी फायदेशीर आहेत आणि “सॉलिड स्टेट बॅटरी” (SSB) मिळवू शकतात. मुख्य कारण म्हणजे जर घन इलेक्ट्रोलाइटने मूळ द्रव इलेक्ट्रोलाइट आणि डायाफ्रामची जागा घेतली तर बॅटरीची सुरक्षा, एकल ऊर्जा घनता आणि आयुष्य लक्षणीयरीत्या सुधारले जाऊ शकते. पुढे, आम्ही प्रामुख्याने वेगवेगळ्या सामग्रीसह घन इलेक्ट्रोलाइट्सच्या संशोधन प्रगतीचा सारांश देतो.

अजैविक घन इलेक्ट्रोलाइट्स

अजैविक घन इलेक्ट्रोलाइट्सचा वापर व्यावसायिक इलेक्ट्रोकेमिकल एनर्जी स्टोरेज डिव्हाइसेसमध्ये केला गेला आहे, जसे की काही उच्च-तापमान रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरी Na-S, Na-NiCl2 बॅटरी आणि प्राथमिक Li-I2 बॅटरी. 2019 मध्ये, हिताची झोसेन (जपान) ने अंतराळात वापरण्यासाठी आणि आंतरराष्ट्रीय अंतराळ स्थानकावर (ISS) चाचणी घेण्यासाठी 140 mAh ची सर्व-सॉलिड-स्टेट पाउच बॅटरी प्रदर्शित केली. ही बॅटरी सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट आणि इतर अज्ञात बॅटरी घटकांनी बनलेली आहे, जी -40 च्या दरम्यान ऑपरेट करण्यास सक्षम आहे°सी आणि 100°C. 2021 मध्ये कंपनी 1,000 mAh ची उच्च क्षमतेची सॉलिड बॅटरी सादर करत आहे. Hitachi Zosen विशिष्ट वातावरणात कार्यरत असलेली जागा आणि औद्योगिक उपकरणे यासारख्या कठोर वातावरणासाठी ठोस बॅटरीची गरज पाहते. 2025 पर्यंत बॅटरीची क्षमता दुप्पट करण्याची कंपनीची योजना आहे. परंतु आतापर्यंत, इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये वापरता येईल असे कोणतेही ऑफ-द-शेल्फ ऑल-सॉलिड-स्टेट बॅटरी उत्पादन नाही.

सेंद्रिय अर्ध-घन आणि घन इलेक्ट्रोलाइट्स

ऑर्गेनिक सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट श्रेणीमध्ये, फ्रान्सच्या Bolloré ने एक जेल-प्रकार PVDF-HFP इलेक्ट्रोलाइट आणि जेल-प्रकार PEO इलेक्ट्रोलाइटचे यशस्वीरित्या व्यापारीकरण केले आहे. हे बॅटरी तंत्रज्ञान इलेक्ट्रिक वाहनांवर लागू करण्यासाठी कंपनीने उत्तर अमेरिका, युरोप आणि आशियामध्ये कार-शेअरिंग पायलट कार्यक्रम देखील सुरू केले आहेत, परंतु या पॉलिमर बॅटरीचा प्रवासी कारमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापर केला गेला नाही. त्यांच्या खराब व्यावसायिक अवलंबनामध्ये योगदान देणारा एक घटक म्हणजे ते फक्त तुलनेने उच्च तापमानातच वापरले जाऊ शकतात (50°सी ते 80°सी) आणि कमी व्होल्टेज श्रेणी. या बॅटरी आता व्यावसायिक वाहनांमध्ये वापरल्या जात आहेत, जसे की काही शहर बस. खोलीच्या तपमानावर शुद्ध घन पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट बॅटरीसह काम करण्याची कोणतीही प्रकरणे नाहीत (म्हणजे सुमारे 25°सी).

सेमीसोलिड श्रेणीमध्ये अत्यंत चिकट इलेक्ट्रोलाइट्स समाविष्ट आहेत, जसे की मीठ-विद्राव्य मिश्रण, इलेक्ट्रोलाइट द्रावण ज्यामध्ये मीठ एकाग्रता मानक 1 mol/L पेक्षा जास्त आहे, एकाग्रता किंवा संपृक्तता बिंदू 4 mol/L इतके जास्त आहेत. एकाग्र इलेक्ट्रोलाइट मिश्रणाची चिंता म्हणजे फ्लोरिनेटेड क्षारांची तुलनेने उच्च सामग्री, ज्यामुळे लिथियम सामग्री आणि अशा इलेक्ट्रोलाइट्सच्या पर्यावरणीय प्रभावाबद्दल देखील प्रश्न उपस्थित होतात. याचे कारण असे आहे की परिपक्व उत्पादनाच्या व्यापारीकरणासाठी सर्वसमावेशक जीवन चक्र विश्लेषण आवश्यक आहे. आणि तयार केलेल्या अर्ध-घन इलेक्ट्रोलाइट्ससाठी कच्चा माल देखील सोपा आणि सहज उपलब्ध असणे आवश्यक आहे जेणेकरुन ते इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये अधिक सहजपणे एकत्रित केले जावे.

हायब्रिड इलेक्ट्रोलाइट्स

हायब्रीड इलेक्ट्रोलाइट्स, ज्यांना मिश्र इलेक्ट्रोलाइट्स असेही म्हणतात, ते जलीय/सेंद्रिय सॉल्व्हेंट हायब्रीड इलेक्ट्रोलाइट्सच्या आधारे किंवा घन इलेक्ट्रोलाइटमध्ये जलीय द्रव इलेक्ट्रोलाइट द्रावण जोडून, ​​घन इलेक्ट्रोलाइट्सची उत्पादनक्षमता आणि स्केलेबिलिटी आणि स्टॅकिंग तंत्रज्ञानाची आवश्यकता लक्षात घेऊन सुधारित केले जाऊ शकते. तथापि, अशा संकरित इलेक्ट्रोलाइट्स अद्याप संशोधनाच्या टप्प्यात आहेत आणि कोणतीही व्यावसायिक उदाहरणे नाहीत.

इलेक्ट्रोलाइट्सच्या व्यावसायिक विकासासाठी विचार

घन इलेक्ट्रोलाइट्सचे सर्वात मोठे फायदे म्हणजे उच्च सुरक्षितता आणि दीर्घ सायकल आयुष्य, परंतु पर्यायी द्रव किंवा घन इलेक्ट्रोलाइट्सचे मूल्यांकन करताना खालील मुद्द्यांचा काळजीपूर्वक विचार केला पाहिजे:

• घन इलेक्ट्रोलाइटची उत्पादन प्रक्रिया आणि सिस्टम डिझाइन. प्रयोगशाळेच्या गेज बॅटरीमध्ये विशेषत: इलेक्ट्रोडच्या एका बाजूला लेपित अनेक शंभर मायक्रॉन जाडीचे घन इलेक्ट्रोलाइट कण असतात. या लहान घन पेशी मोठ्या पेशी (10 ते 100Ah) साठी आवश्यक असलेल्या कार्यक्षमतेचे प्रतिनिधी नाहीत, कारण 10~100Ah ची क्षमता वर्तमान पॉवर बॅटरीसाठी आवश्यक किमान तपशील आहे.
• सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट देखील डायाफ्रामची भूमिका बदलते. त्याचे वजन आणि जाडी पीपी/पीई डायाफ्रामपेक्षा जास्त असल्याने वजनाची घनता प्राप्त करण्यासाठी ते समायोजित करणे आवश्यक आहे.≥350Wh/kgआणि ऊर्जा घनता≥900Wh/त्याच्या व्यापारीकरणात अडथळा येऊ नये म्हणून एल.

बॅटरी हा नेहमीच काही प्रमाणात सुरक्षिततेचा धोका असतो. सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स, जरी ते द्रवपदार्थांपेक्षा सुरक्षित असले तरी ते ज्वलनशील नसतात. काही पॉलिमर आणि अजैविक इलेक्ट्रोलाइट्स ऑक्सिजन किंवा पाण्याशी प्रतिक्रिया देऊ शकतात, उष्णता आणि विषारी वायू तयार करतात ज्यामुळे आग आणि स्फोटाचा धोका देखील निर्माण होतो. एकल पेशींव्यतिरिक्त, प्लास्टिक, केस आणि पॅक सामग्रीमुळे अनियंत्रित ज्वलन होऊ शकते. त्यामुळे शेवटी, एक समग्र, सिस्टम-स्तरीय सुरक्षा चाचणी आवश्यक आहे.