सॉलिड-स्टेट बॅटरी: पुढील पिढीचा बॅटरी मार्ग

सॉलिड-स्टेट बॅटरी: पुढील पिढीचा बॅटरी मार्ग

14 मे रोजी, "द कोरिया टाईम्स" आणि इतर मीडिया रिपोर्ट्सनुसार, सॅमसंगने Hyundai ला इलेक्ट्रिक वाहने विकसित करण्यासाठी आणि Hyundai इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी पॉवर बॅटरी आणि इतर कनेक्टेड कार पार्ट प्रदान करण्यासाठी सहकार्य करण्याची योजना आखली आहे. मीडियाचा अंदाज आहे की सॅमसंग आणि ह्युंदाई लवकरच बॅटरी पुरवठ्यावर बंधनकारक नसलेल्या सामंजस्य करारावर स्वाक्षरी करतील. असे वृत्त आहे की सॅमसंगने आपली नवीनतम सॉलिड-स्टेट बॅटरी Hyundai ला सादर केली आहे.

सॅमसंगच्या म्हणण्यानुसार, जेव्हा त्याची प्रोटोटाइप बॅटरी पूर्णपणे चार्ज केली जाते, तेव्हा ती इलेक्ट्रिक कारला एकावेळी 800 किलोमीटरहून अधिक चालवू शकते, बॅटरी सायकलचे आयुष्य 1,000 पटांपेक्षा जास्त असते. त्याच क्षमतेच्या लिथियम-आयन बॅटरीपेक्षा त्याची व्हॉल्यूम 50% लहान आहे. या कारणास्तव, सॉलिड-स्टेट बॅटरी पुढील दहा वर्षांत इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी सर्वात योग्य पॉवर बॅटरी मानल्या जातात.

मार्च २०२० च्या सुरुवातीस, सॅमसंग इन्स्टिट्यूट फॉर अॅडव्हान्स्ड स्टडी (SAIT) आणि सॅमसंग रिसर्च सेंटर ऑफ जपान (SRJ) ने "नेचर एनर्जी" मासिकात "सिल्व्हरद्वारे सक्षम उच्च-ऊर्जा दीर्घ-सायकलिंग ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम मेटल बॅटरी" प्रकाशित केल्या. -कार्बन कंपोझिट एनोड्स" ने सॉलिड-स्टेट बॅटरीच्या क्षेत्रात त्यांचा नवीनतम विकास सादर केला.

ही बॅटरी घन इलेक्ट्रोलाइट वापरते, जी उच्च तापमानात ज्वलनशील नसते आणि पंक्चर शॉर्ट सर्किट टाळण्यासाठी लिथियम डेंड्राइट्सच्या वाढीस देखील प्रतिबंध करू शकते. याव्यतिरिक्त, ते एनोड म्हणून चांदी-कार्बन (Ag-C) संमिश्र स्तर वापरते, जे ऊर्जा घनता 900Wh/L पर्यंत वाढवू शकते, 1000 पेक्षा जास्त चक्रांचे दीर्घ चक्र आयुष्य आणि खूप उच्च कौलोम्बिक कार्यक्षमता (चार्ज) आहे आणि डिस्चार्ज कार्यक्षमता) 99.8%. ते एका पेमेंटनंतर बॅटरी चालवू शकते. कारने 800 किलोमीटरचा प्रवास केला.

तथापि, पेपर प्रकाशित करणार्‍या SAIT आणि SRJ या तंत्रज्ञानावर लक्ष केंद्रित करणार्‍या Samsung SDI ऐवजी वैज्ञानिक संशोधन संस्था आहेत. लेख केवळ नवीन बॅटरीचे तत्त्व, रचना आणि कार्यप्रदर्शन स्पष्ट करतो. बॅटरी अजूनही प्रयोगशाळेच्या अवस्थेत आहे आणि कमी कालावधीत मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करणे कठीण होईल असा प्राथमिक अंदाज आहे.

सॉलिड-स्टेट बॅटरी आणि पारंपारिक द्रव लिथियम-आयन बॅटरीमधील फरक म्हणजे इलेक्ट्रोलाइट्स आणि विभाजकांऐवजी घन इलेक्ट्रोलाइट्स वापरली जातात. लिथियम-इंटरकॅलेटेड ग्रेफाइट एनोड्स वापरणे आवश्यक नाही. त्याऐवजी, मेटल लिथियमचा वापर एनोड म्हणून केला जातो, ज्यामुळे एनोड सामग्रीची संख्या कमी होते. उच्च शरीर ऊर्जा घनता (>350Wh/kg) आणि दीर्घ आयुष्य (>5000 सायकल), तसेच विशेष कार्ये (जसे की लवचिकता) आणि इतर आवश्यकता असलेल्या पॉवर बॅटरी.

नवीन सिस्टम बॅटरीमध्ये सॉलिड-स्टेट बॅटरी, लिथियम फ्लो बॅटरी आणि मेटल-एअर बॅटरी समाविष्ट आहेत. तीन सॉलिड-स्टेट बॅटरीचे त्यांचे फायदे आहेत. पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स सेंद्रिय इलेक्ट्रोलाइट्स आहेत आणि ऑक्साइड आणि सल्फाइड्स हे अजैविक सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट्स आहेत.

जागतिक सॉलिड-स्टेट बॅटरी कंपन्यांकडे पाहिल्यास, तेथे स्टार्ट-अप आहेत आणि आंतरराष्ट्रीय उत्पादक देखील आहेत. इलेक्ट्रोलाइट प्रणालीमध्ये कंपन्या वेगवेगळ्या विश्वासांसह एकट्या आहेत आणि तंत्रज्ञान प्रवाह किंवा एकत्रीकरणाचा कोणताही कल नाही. सध्या, काही तांत्रिक मार्ग औद्योगिकीकरणाच्या परिस्थितीच्या जवळ आहेत आणि सॉलिड-स्टेट बॅटरीच्या ऑटोमेशनचा मार्ग प्रगतीपथावर आहे.

युरोपियन आणि अमेरिकन कंपन्या पॉलिमर आणि ऑक्साईड सिस्टमला प्राधान्य देतात. फ्रेंच कंपनी Bolloré ने पॉलिमर-आधारित सॉलिड-स्टेट बॅटरीचे व्यावसायिकीकरण करण्यात पुढाकार घेतला. डिसेंबर 2011 मध्ये, 30kwh सॉलिड-स्टेट पॉलिमर बॅटरी + इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कॅपॅसिटरद्वारे समर्थित इलेक्ट्रिक वाहने शेअर्ड कार मार्केटमध्ये दाखल झाली, जी जगात प्रथमच होती. EV साठी व्यावसायिक सॉलिड-स्टेट बॅटरी.

Sakti3, एक पातळ-फिल्म ऑक्साईड सॉलिड-स्टेट बॅटरी उत्पादक, 2015 मध्ये ब्रिटीश घरगुती उपकरणे दिग्गज डायसनने विकत घेतले. हे पातळ-चित्रपट तयार करण्याच्या खर्चाच्या अधीन आहे आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादनाची अडचण आहे, आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादन झाले नाही. उत्पादन उत्पादन बराच काळ.

सॉलिड-स्टेट बॅटर्‍यांसाठी मॅक्सवेलची योजना प्रथम छोट्या बॅटरी मार्केटमध्ये प्रवेश करणे, 2020 मध्ये त्यांचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करणे आणि 2022 मध्ये ऊर्जा साठवण क्षेत्रात त्यांचा वापर करणे ही आहे. जलद व्यावसायिक वापरासाठी, मॅक्सवेल प्रथम अर्धवट वापरण्याचा विचार करू शकेल. अल्पावधीत घन बॅटरी. तरीही, अर्ध-घन बैटरी अधिक महाग आहेत आणि प्रामुख्याने विशिष्ट मागणी फील्डमध्ये वापरल्या जातात, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणात अनुप्रयोग कठीण होतात.

नॉन-थिन-फिल्म ऑक्साईड उत्पादनांमध्ये उत्कृष्ट एकूण कार्यप्रदर्शन आहे आणि ते सध्या विकासामध्ये लोकप्रिय आहेत. तैवान हुआनेंग आणि जिआंगसू किंगदाओ हे दोघेही या ट्रॅकवर प्रसिद्ध खेळाडू आहेत.

जपानी आणि कोरियन कंपन्या सल्फाइड प्रणालीच्या औद्योगिकीकरणाच्या समस्या सोडवण्यासाठी अधिक वचनबद्ध आहेत. टोयोटा आणि सॅमसंग सारख्या प्रतिनिधी कंपन्यांनी त्यांच्या तैनातीला वेग दिला आहे. सल्फाइड सॉलिड-स्टेट बॅटरियां (लिथियम-सल्फर बॅटरियां) त्यांच्या उच्च ऊर्जा घनतेमुळे आणि कमी किमतीमुळे प्रचंड विकास क्षमता आहे. त्यापैकी टोयोटाचे तंत्रज्ञान सर्वात प्रगत आहे. याने अँपिअर-लेव्हल डेमो बॅटरी आणि इलेक्ट्रोकेमिकल कामगिरी सोडली. त्याच वेळी, त्यांनी मोठा बॅटरी पॅक तयार करण्यासाठी इलेक्ट्रोलाइट म्हणून उच्च खोली तापमान चालकता असलेल्या LGPS चा वापर केला.

जपानने देशव्यापी संशोधन आणि विकास कार्यक्रम सुरू केला आहे. टोयोटा आणि पॅनासोनिक ही सर्वात आशादायक युती आहे (टोयोटामध्ये सॉलिड-स्टेट बॅटरी विकसित करण्यात सुमारे 300 अभियंते आहेत). ते पाच वर्षांत सॉलिड-स्टेट बॅटरीचे व्यावसायिकीकरण करेल असे म्हटले आहे.

Toyota आणि NEDO द्वारे विकसित केलेल्या सर्व-सॉलिड-स्टेट बॅटरीजच्या व्यावसायीकरणाची योजना अस्तित्वात असलेल्या LIB उत्तेजित आणि हानिकारक सामग्रीचा वापर करून सर्व-सॉलिड-स्टेट बॅटरीज (पहिल्या पिढीच्या बॅटरी) विकसित करण्यापासून सुरू होते. त्यानंतर, ते ऊर्जा घनता (पुढील पिढीच्या बॅटरी) वाढवण्यासाठी नवीन सकारात्मक आणि नकारात्मक सामग्री वापरेल. टोयोटा 2022 मध्ये सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रिक वाहनांचे प्रोटोटाइप तयार करेल आणि 2025 मध्ये काही मॉडेल्समध्ये सॉलिड-स्टेट बॅटरी वापरेल. 2030 मध्ये, मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन अनुप्रयोग साध्य करण्यासाठी ऊर्जा घनता 500Wh/kg पर्यंत पोहोचू शकते.

पेटंटच्या दृष्टीकोनातून, सॉलिड-स्टेट लिथियम बॅटरीसाठी शीर्ष 20 पेटंट अर्जदारांपैकी, जपानी कंपन्यांचा वाटा 11 होता. टोयोटाने सर्वाधिक अर्ज केले, जे दुसऱ्या पॅनासोनिकच्या 1,709 पट 2.2 पर्यंत पोहोचले. शीर्ष 10 कंपन्या सर्व जपानी आणि दक्षिण कोरियाच्या आहेत, ज्यात जपानमधील 8 आणि दक्षिण कोरियामधील 2 आहेत.

पेटंटच्या जागतिक पेटंट मांडणीच्या दृष्टीकोनातून, जपान, युनायटेड स्टेट्स, चीन, दक्षिण कोरिया आणि युरोप हे प्रमुख देश किंवा प्रदेश आहेत. स्थानिक अनुप्रयोगांव्यतिरिक्त, टोयोटाकडे युनायटेड स्टेट्स आणि चीनमध्ये सर्वाधिक लक्षणीय अनुप्रयोग आहेत, जे एकूण पेटंट अर्जांपैकी अनुक्रमे 14.7% आणि 12.9% आहेत.

माझ्या देशात सॉलिड-स्टेट बॅटरियांचे औद्योगिकीकरण देखील सतत शोधात आहे. चीनच्या तांत्रिक मार्ग योजनेनुसार, 2020 मध्ये, ते हळूहळू घन इलेक्ट्रोलाइट, उच्च विशिष्ट ऊर्जा कॅथोड सामग्री संश्लेषण आणि त्रि-आयामी फ्रेमवर्क संरचना लिथियम मिश्र धातु बांधकाम तंत्रज्ञान लक्षात येईल. हे 300Wh/kg लहान-क्षमतेची एकल बॅटरी नमुना निर्मिती ओळखेल. 2025 मध्ये, सॉलिड-स्टेट बॅटरी इंटरफेस कंट्रोल टेक्नॉलॉजी 400Wh/kg मोठ्या क्षमतेच्या सिंगल बॅटरी सॅम्पल आणि ग्रुप टेक्नॉलॉजीचा अनुभव घेईल. 2030 मध्ये सॉलिड-स्टेट बॅटरी आणि लिथियम-सल्फर बॅटरियांचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन आणि प्रचार करणे अपेक्षित आहे.

CATL च्या IPO निधी उभारणी प्रकल्पातील पुढील पिढीच्या बॅटरीमध्ये सॉलिड-स्टेट बॅटरीचा समावेश होतो. NE टाइम्सच्या अहवालानुसार, CATL ला किमान 2025 पर्यंत सॉलिड-स्टेट बॅटरीचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन साध्य करण्याची अपेक्षा आहे.

एकूणच, पॉलिमर सिस्टम तंत्रज्ञान सर्वात परिपक्व आहे आणि प्रथम ईव्ही-स्तरीय उत्पादनाचा जन्म झाला आहे. त्याच्या वैचारिक आणि दूरगामी स्वरूपामुळे उशीरा येणाऱ्या लोकांकडून संशोधन आणि विकासामध्ये गुंतवणुकीचा वेग वाढला आहे, परंतु कार्यक्षमतेची वरची मर्यादा वाढीस प्रतिबंधित करते आणि अजैविक घन इलेक्ट्रोलाइट्सचे मिश्रण भविष्यात एक संभाव्य उपाय असेल; ऑक्सिडेशन; भौतिक प्रणालीमध्ये, पातळ-फिल्म प्रकारांचा विकास क्षमता विस्तार आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादनावर केंद्रित आहे आणि गैर-चित्रपट प्रकारांची एकूण कामगिरी चांगली आहे, जे सध्याचे संशोधन आणि विकासाचे लक्ष आहे; सल्फाइड सिस्टीम ही इलेक्ट्रिक वाहनांच्या क्षेत्रातील सर्वात आश्वासक सॉलिड-स्टेट बॅटरी सिस्टीम आहे, परंतु वाढीसाठी आणि अपरिपक्व तंत्रज्ञानासाठी मोठ्या प्रमाणात जागा असलेल्या ध्रुवीकृत परिस्थितीत, सुरक्षा समस्या आणि इंटरफेस समस्या सोडवणे हे भविष्याचे लक्ष आहे.

सॉलिड-स्टेट बॅटरींसमोरील आव्हानांमध्ये प्रामुख्याने हे समाविष्ट आहे:

• खर्च कमी करणे.
• घन इलेक्ट्रोलाइट्सची सुरक्षा सुधारणे.
• चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइट्स दरम्यान संपर्क राखणे.

लिथियम-सल्फर बॅटरी, लिथियम-एअर आणि इतर प्रणालींना संपूर्ण बॅटरी संरचना फ्रेम पुनर्स्थित करणे आवश्यक आहे आणि अधिकाधिक लक्षणीय समस्या आहेत. सॉलिड-स्टेट बॅटरियांचे सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड वर्तमान प्रणाली वापरणे सुरू ठेवू शकतात आणि प्राप्तीची अडचण तुलनेने लहान आहे. पुढील पिढीतील बॅटरी तंत्रज्ञान म्हणून, सॉलिड-स्टेट बॅटरीमध्ये उच्च सुरक्षा आणि ऊर्जा घनता असते आणि पोस्ट-लिथियम युगात ते एकमेव मार्ग बनतील.