آل سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں صنعت کا رجحان کیوں ہیں؟
ہائی سیکورٹی:
مائع بیٹریوں کی حفاظت کے مسائل پر ہمیشہ تنقید کی جاتی رہی ہے۔ الیکٹرولائٹ اعلی درجہ حرارت یا شدید اثر کے تحت آسانی سے آتش گیر ہے۔ زیادہ کرنٹ کے تحت، لیتھیم ڈینڈرائٹس بھی الگ کرنے والے کو چھیدتے اور شارٹ سرکٹ کا سبب بنتے دکھائی دیں گے۔ بعض اوقات الیکٹرولائٹ ضمنی ردعمل سے گزر سکتا ہے یا اعلی درجہ حرارت پر گل سکتا ہے۔ مائع الیکٹرولائٹس کے تھرمل استحکام کو صرف 100 ڈگری تک برقرار رکھا جا سکتا ہے، جبکہ آکسائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹس 800 ڈگری تک پہنچ سکتے ہیں، اور سلفائڈز اور ہالائڈز بھی 400 ڈگری تک پہنچ سکتے ہیں۔ ٹھوس آکسائیڈ مائعات سے زیادہ مستحکم ہوتے ہیں، اور ان کی ٹھوس شکل کی وجہ سے، ان کی اثر مزاحمت مائعات کی نسبت بہت زیادہ ہوتی ہے۔ لہذا، سالڈ سٹیٹ بیٹریاں لوگوں کی حفاظت کی ضروریات کو پورا کر سکتی ہیں۔
اعلی توانائی کی کثافت:
فی الحال، سالڈ سٹیٹ بیٹریوں نے مائع بیٹریوں سے زیادہ توانائی کی کثافت حاصل نہیں کی ہے، لیکن نظریاتی طور پر سالڈ سٹیٹ بیٹریاں بہت زیادہ توانائی کی کثافت حاصل کر سکتی ہیں۔ مائع بیٹریوں کی طرح رساو کو روکنے کے لیے سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں کو مائع میں لپیٹنے کی ضرورت نہیں ہے۔ لہذا، بے کار گولے، ریپنگ فلمیں، گرمی کی کھپت کے مواد، وغیرہ کو ختم کیا جا سکتا ہے، اور توانائی کی کثافت کو بہت بہتر بنایا جا سکتا ہے.
زیادہ طاقت:
مائع بیٹریوں میں لیتھیم آئن ترسیل کے ذریعے لے جایا جاتا ہے، جبکہ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں میں لتیم آئن جمپ کنڈکشن کے ذریعے ہوتے ہیں، جو تیز تر ہوتا ہے اور اس میں چارج اور خارج ہونے کی شرح زیادہ ہوتی ہے۔ مائع بیٹری کی ٹیکنالوجی میں تیز چارجنگ ہمیشہ سے ایک مشکل رہی ہے، کیونکہ اگر چارجنگ کی رفتار بہت تیز ہے تو لیتھیم کو تیز کیا جائے گا، لیکن یہ مسئلہ آل سالڈ سٹیٹ بیٹریوں میں موجود نہیں ہے۔
کم درجہ حرارت کی کارکردگی:
مائع بیٹریاں عام طور پر -10 ڈگری سے 45 ڈگری پر مستحکم طور پر کام کرتی ہیں، لیکن سردیوں میں ان کی سیر کی حد بہت کم ہوجاتی ہے۔ ٹھوس الیکٹرولائٹس کا آپریٹنگ درجہ حرارت -30 ڈگری اور 100 ڈگری کے درمیان ہے، لہذا بیٹری کی زندگی میں کوئی کمی نہیں ہوگی سوائے انتہائی سرد علاقوں کے، اور کسی پیچیدہ تھرمل مینجمنٹ سسٹم کی ضرورت نہیں ہے۔
طویل زندگی کا دورانیہ:
مائع بیٹریوں میں، ٹرنری بیٹریوں کی اوسط زندگی 500-1000 سائیکل ہے، اور لیتھیم آئرن فاسفیٹ کی زندگی 2000 سائیکلوں تک پہنچ سکتی ہے۔ پتلی فلم کی تمام ٹھوس حالت مستقبل میں 45،000 سائیکلوں تک پہنچ سکتی ہے، اور لیبارٹری میں 5C زندگی کا دورانیہ 10,000 گنا تک پہنچ سکتا ہے۔ جب اسی توانائی کی کثافت کی پیداواری لاگت کو یکجا کیا جا سکتا ہے، تو سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کی لاگت کی تاثیر بے مثال ہے۔
4 ٹھوس غیر نامیاتی الیکٹرولائٹس کا موازنہ
ٹھوس الیکٹرولائٹس کی مادی اقسام کو چار اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: آکسائیڈز، سلفائیڈز، پولیمر اور ہالائیڈز۔ الیکٹرولائٹس کی ان چار اقسام میں سے ہر ایک میں مختلف جسمانی اور کیمیائی خصوصیات ہیں، جو R&D، پیداوار، اور صنعت کاری کی مشکل اور اس کی مستقبل کی مارکیٹ پوزیشن کا تعین کرتی ہیں۔
آکسائیڈ الیکٹرولائٹس:
فوائد: آئنک چالکتا درمیان میں ہے، اور اس میں بہترین الیکٹرو کیمیکل استحکام، مکینیکل استحکام اور تھرمل استحکام ہے۔ اسے ہائی وولٹیج کیتھوڈ مواد اور دھاتی لتیم اینوڈس کے مطابق ڈھال لیا جا سکتا ہے۔ بہترین الیکٹرانک چالکتا اور آئن سلیکٹیوٹی۔ ایک ہی وقت میں، سامان کی تسلسل اور مینوفیکچرنگ لاگت کی ڈگری کے بھی بڑے فوائد ہیں۔ جامع صلاحیت سب سے زیادہ جامع ہے۔
نقصانات: تخفیف کا استحکام قدرے کم، ٹوٹنے والا، اور دراڑ کا سبب بن سکتا ہے۔
آکسائیڈ الیکٹرولائٹس میں اعلی مکینیکل طاقت، اچھی تھرمل اور ہوا کا استحکام اور وسیع الیکٹرو کیمیکل کھڑکیاں ہوتی ہیں۔ آکسائڈ الیکٹرولائٹس کو کرسٹل لائن اور بے ساختہ ریاستوں میں تقسیم کیا جاسکتا ہے۔ عام کرسٹل آکسائڈ الیکٹرولائٹس میں پیرووسکائٹ قسم، LISICON قسم، NASICON قسم اور گارنیٹ کی قسم شامل ہیں۔ آکسائیڈ الیکٹرولائٹس اعلی وولٹیج کا مقابلہ کر سکتے ہیں، اعلی سڑن درجہ حرارت رکھتے ہیں، اور اچھی میکانکی طاقت رکھتے ہیں۔ تاہم، اس کے کمرے کا درجہ حرارت آئنک چالکتا کم ہے (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm)، جو بیٹری کے حجم کی توانائی کی کثافت کو بہت حد تک کم کرتا ہے۔ عنصر ڈوپنگ اور اناج کی حد میں ترمیم کے ذریعے، آکسائیڈ الیکٹرولائٹس کے کمرے کے درجہ حرارت کی چالکتا کو 10-3 S/cm کے آرڈر تک بڑھایا جا سکتا ہے۔ کرسٹل کے حجم کو کنٹرول کرنے اور پولیمر کوٹنگز کو شامل کرنے سے آکسائڈ الیکٹرولائٹ اور مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان انٹرفیشل رابطے کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ الٹراتھن ٹھوس الیکٹرولائٹ جھلیوں کو حل/سلری کوٹنگ کے طریقوں سے تیار کیا جاسکتا ہے۔
سلفائیڈ الیکٹرولائٹ:
فوائد: سب سے زیادہ آئن چالکتا، چھوٹے اناج کی حد کی مزاحمت، اچھی لچک، اور اچھی آئن سلیکٹیوٹی۔
نقصانات: ناقص کیمیائی استحکام، لتیم دھات کے ساتھ رد عمل ظاہر کرے گا، اور آسانی سے نم ہوا کے ساتھ رد عمل ظاہر کرے گا۔ لاگت زیادہ ہے اور میکانی خصوصیات ناقص ہیں۔ فی الحال، پیداوار کو اب بھی دستانے کے خانے میں کرنے کی ضرورت ہے، جس سے بڑے پیمانے پر پیداوار مشکل ہو جاتی ہے۔
سلفائیڈ الیکٹرولائٹس میں کمرے کے درجہ حرارت کی چالکتا اور اچھی لچک ہوتی ہے، اور ڈوپنگ اور کوٹنگ کے ذریعے ان کے استحکام کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ سلفائیڈ الیکٹرولائٹس فی الحال تین اہم شکلوں میں آتے ہیں: گلاس، گلاس سیرامکس اور کرسٹل۔ سلفائیڈ الیکٹرولائٹس میں کمرے کے درجہ حرارت کی چالکتا زیادہ ہوتی ہے، جو مائع الیکٹرولائٹس (10-4-10-2 S/cm)، اعتدال پسند سختی، اچھا انٹرفیس جسمانی رابطہ، اور اچھی میکانی خصوصیات کے قریب ہوسکتی ہے۔ وہ ٹھوس ریاست کی بیٹریوں کے لیے اہم امیدوار مواد ہیں۔ تاہم، سلفائیڈ الیکٹرولائٹس میں ایک تنگ الیکٹرو کیمیکل ونڈو ہوتی ہے، مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے ساتھ انٹرفیس کا کمزور استحکام، اور نمی کے لیے بہت حساس ہوتے ہیں۔ یہ ہوا میں پانی کی ٹریس مقدار کے ساتھ رد عمل ظاہر کر سکتا ہے اور زہریلی ہائیڈروجن سلفائیڈ گیس چھوڑ سکتا ہے۔ پیداوار، نقل و حمل، اور پروسیسنگ بہت زیادہ ماحولیاتی ضروریات ہیں. ترمیم کے طریقے جیسے ڈوپنگ اور کوٹنگ سلفائیڈ اور مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان انٹرفیس کو مستحکم کر سکتے ہیں، انہیں مختلف قسم کے مثبت اور منفی الیکٹروڈ مواد کے لیے موزوں بناتے ہیں، اور یہاں تک کہ لیتھیم سلفر بیٹریوں میں بھی استعمال ہوتے ہیں۔
سلفائیڈ الیکٹرولائٹ بیٹریوں کی تیاری میں اعلیٰ ماحولیاتی تقاضے ہوتے ہیں۔ سلفائڈ الیکٹرولائٹس اعلی چالکتا ہے اور نسبتا نرم ہے، اور کوٹنگ کے طریقوں سے تیار کیا جا سکتا ہے. پروڈکشن کا عمل موجودہ مائع بیٹری پروڈکشن کے عمل سے بہت مختلف نہیں ہے، لیکن بیٹری کے انٹرفیس رابطے کو بہتر بنانے کے لیے، عام طور پر کوٹنگ کے بعد ایک سے زیادہ گرم دبانے اور انٹرفیس کے رابطے کو بہتر بنانے کے لیے ایک بفر لیئر شامل کرنا ضروری ہوتا ہے۔ سلفائیڈ الیکٹرولائٹس نمی کے لیے بہت حساس ہوتے ہیں اور زہریلی گیس ہائیڈروجن سلفائیڈ پیدا کرنے کے لیے ہوا میں پانی کی مقدار کے ساتھ رد عمل ظاہر کر سکتے ہیں، اس لیے بیٹری کی تیاری کے لیے ماحولیاتی تقاضے بہت زیادہ ہیں۔
پولیمر الیکٹرولائٹ:
فوائد: اچھی حفاظت، اچھی لچک اور انٹرفیس رابطہ، فلم بنانے میں آسان۔
نقصانات: کمرے کے درجہ حرارت پر آئنک چالکتا بہت کم ہے اور تھرمل استحکام ناقص ہے۔
یہ لچکدار اور پراسیس کرنے میں آسان ہے، اور کراس لنکنگ، بلینڈنگ، گرافٹنگ اور پلاسٹائزرز کو شامل کرکے چالکتا کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ پولیمر الیکٹرولائٹس میں استعمال ہونے والے اہم پولیمر سبسٹریٹس میں PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC وغیرہ شامل ہیں۔ استعمال ہونے والے اہم لتیم نمکیات میں LiPF6, LiFSI, LiTFSI وغیرہ شامل ہیں۔ پولیمر الیکٹرولائٹس تیار کرنے میں آسان ہیں، اچھی لچک اور عمل کی صلاحیت رکھتے ہیں، اور غیر روایتی شکلوں کے ساتھ لچکدار الیکٹرانک مصنوعات یا بیٹریوں میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کا مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے ساتھ اچھا جسمانی رابطہ ہے، اور یہ عمل موجودہ لتیم بیٹریوں کے نسبتاً قریب ہے۔ موجودہ آلات کی تبدیلی کے ذریعے اسے بیٹریوں کی بڑے پیمانے پر پیداوار میں آسانی سے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، پولیمر الیکٹرولائٹس کی کمرے کے درجہ حرارت کی آئنک چالکتا عام طور پر بہت کم ہوتی ہے (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
ہیلائیڈ الیکٹرولائٹ:
فوائد: کم الیکٹرانک مزاحمت، اعلی آئن سلیکٹیوٹی، اعلی کمی استحکام، اور ٹوٹنا آسان نہیں ہے۔
نقصانات: یہ ابھی بھی لیبارٹری کے مرحلے میں ہے، اس میں ناقص کیمیائی استحکام اور آکسیڈیٹیو استحکام ہے، اور اس میں آئن مزاحمت زیادہ ہے۔
ہالائیڈز اور پولیمر کے نمایاں فوائد اور نقصانات کی وجہ سے، سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے لیے مستقبل کا عالمی مقابلہ بنیادی طور پر آکسائیڈز اور سلفائیڈز پر مرکوز ہوگا۔ درحقیقت، اس کے ناقص کیمیائی استحکام کی وجہ سے، سلفائیڈ الیکٹرولائٹس کے لیے مواد کی قسمیں بہت تنگ ہیں، لیکن جب تک مناسب مواد اور عمل میں پیش رفت مل جائے، اس کمی کو پورا کیا جا سکتا ہے۔
تاہم، صنعت کاری کے نقطہ نظر سے، پیچیدہ عمل زیادہ لاگت اور پیمانے کی حد کا باعث بنیں گے، لہذا آکسائڈ ٹھوس الیکٹرولائٹس فی الحال سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں کی ترقی میں مرکزی دھارے میں شامل ہیں۔ مائع بیٹریوں سے لے کر سالڈ سٹیٹ بیٹریوں تک، ایک نیم ٹھوس بیٹری کا مرحلہ ہوگا، اور اس مرحلے میں سب سے زیادہ موزوں آکسائیڈ کا راستہ ہے۔ یہ اس کی جامع کارکردگی اور لاگت کے فوائد کی وجہ سے ہے۔ سیمی سالڈ سٹیٹ بیٹریاں موجودہ مائع بیٹریوں کو زیادہ تیزی سے بدل سکتی ہیں، آہستہ آہستہ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے فوائد اور لاگت کی تاثیر سے فائدہ اٹھاتی ہیں۔
تاہم، ٹیکنالوجی کی ترقی کے ساتھ، یہ ابھی تک واضح نہیں ہے کہ آیا مستقبل میں دنیا پر آکسائیڈز یا سلفائیڈز کا غلبہ ہو گا۔ سالڈ اسٹیٹ بیٹری ٹکنالوجی کا بنیادی مقصد سالڈ اسٹیٹ الیکٹرولائٹس کی تحقیق اور ترقی ہے۔ اگرچہ موجودہ ٹھوس الیکٹرولائٹ مواد نے بہت ترقی کی ہے، لیکن ان میں اب بھی خراب چالکتا، بڑے انٹرفیس مزاحمت، اور اعلی تیاری کے اخراجات جیسے مسائل ہیں۔ ٹھوس الیکٹرولائٹس کی چالکتا اور استحکام کو بہتر بنانے کے لیے مسلسل بنیادی تحقیق اور تکنیکی کامیابیوں کی ضرورت ہے۔
