Sergiy Kalnaus، et al. سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں: مکینکس کا اہم کردار۔ سائنس 381، 1300 (2023)۔
لتیم میٹل اینوڈس کے ساتھ سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں زیادہ توانائی کی کثافت، طویل زندگی، وسیع آپریٹنگ درجہ حرارت، اور حفاظت میں اضافے کی صلاحیت رکھتی ہیں۔ اگرچہ تحقیق کا بڑا حصہ نقل و حمل کے حرکیات اور مواد اور انٹرفیس کے الیکٹرو کیمیکل استحکام کو بہتر بنانے پر توجہ مرکوز کرتا ہے، لیکن ایسے اہم چیلنجز بھی ہیں جن کے لیے مواد کے میکانکس کی تحقیقات کی ضرورت ہوتی ہے۔ ٹھوس-ٹھوس انٹرفیس والی بیٹریوں میں، مکینیکل روابط، اور سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے آپریشن کے دوران تناؤ کی نشوونما، ان انٹرفیس پر مستقل چارج کی منتقلی کو برقرار رکھنے کے لیے الیکٹرو کیمیکل استحکام کی طرح اہم بن جاتی ہے۔ یہ جائزہ تناؤ اور تناؤ پر توجہ مرکوز کرے گا جو عام اور توسیع شدہ بیٹری سائیکلنگ کے نتیجے میں پیدا ہوتا ہے اور تناؤ سے نجات کے لیے منسلک میکانزم، جن میں سے کچھ ان بیٹریوں کی ناکامی کا باعث بنتے ہیں۔
پس منظر
سالڈ سٹیٹ بیٹریاں (SSBs) روزمرہ فونز اور الیکٹرک گاڑیوں میں استعمال ہونے والی روایتی لی آئن بیٹریوں کے مقابلے میں اہم ممکنہ فوائد رکھتی ہیں۔ ان ممکنہ فوائد میں زیادہ توانائی کی کثافت اور تیز چارجنگ ہے۔ ایک ٹھوس الیکٹرولائٹ الگ کرنے والا طویل زندگی، وسیع آپریٹنگ درجہ حرارت، اور آتش گیر نامیاتی سالوینٹس کی عدم موجودگی کی وجہ سے حفاظت میں اضافہ بھی فراہم کر سکتا ہے۔ SSBs کے اہم پہلوؤں میں سے ایک بڑے پیمانے پر نقل و حمل کے ذریعہ چلنے والی جہتی تبدیلیوں (تناؤ) کے لئے ان کے مائکرو اسٹرکچر کا تناؤ کا ردعمل ہے۔ کیتھوڈ ذرات میں ساختی تناؤ مائع الیکٹرولائٹ بیٹریوں میں بھی پائے جاتے ہیں، لیکن SSBs میں یہ تناؤ الیکٹروڈ ذرات اور ٹھوس الیکٹرولائٹ کے پھیلنے یا سکڑنے کے درمیان رابطہ میکانکس کے مسائل کا باعث بنتے ہیں۔ اینوڈ سائیڈ پر، لتیم دھات کی چڑھانا ٹھوس الیکٹرولائٹ کے ساتھ انٹرفیس پر اپنی پیچیدہ تناؤ کی کیفیت پیدا کرتی ہے۔ SSBs کی ایک اہم خصوصیت یہ ہے کہ اس طرح کی چڑھانا نہ صرف الیکٹروڈ – الیکٹرولائٹ انٹرفیس پر بلکہ خود ٹھوس الیکٹرولائٹ کے اندر، اس کے چھیدوں کے اندر یا اناج کی حدود کے ساتھ ہوسکتا ہے۔ اس طرح کا محدود لتیم جمع الیکٹرولائٹ میں فریکچر شروع کرنے کے قابل اعلی ہائیڈروسٹیٹک تناؤ والے علاقوں کو تخلیق کرتا ہے۔ اگرچہ SSBs میں ناکامیوں کی اکثریت میکانکس کے ذریعہ چلتی ہے، زیادہ تر تحقیق آئن ٹرانسپورٹ اور الیکٹرولائٹس کے الیکٹرو کیمیکل استحکام کو بہتر بنانے کے لئے وقف کی گئی ہے۔ اس خلا کو پُر کرنے کی کوشش کے طور پر، اس جائزے میں ہم SSBs کے لیے میکانکس فریم ورک پیش کرتے ہیں اور میدان میں سرکردہ تحقیق کا جائزہ لیتے ہیں، ان میکانزم پر توجہ مرکوز کرتے ہوئے جن کے ذریعے تناؤ پیدا ہوتا ہے، روکا جاتا ہے اور اس سے نجات ملتی ہے۔
ایڈوانسز
قابل تجدید وسائل کی طرف دھکیلنے کے لیے اگلی نسل کی بیٹریوں کی نشوونما کی ضرورت ہوتی ہے جس میں توانائی کی کثافت موجودہ بیٹریوں سے دگنی ہوتی ہے اور جو 5 منٹ یا اس سے کم وقت میں چارج ہو سکتی ہیں۔ اس نے الیکٹرولائٹس تیار کرنے کی دوڑ شروع کردی ہے جو دونوں کو 5- منٹ کی تیز چارجنگ میں سہولت فراہم کر سکتی ہے اور لی میٹل اینوڈز کو فعال کر سکتی ہے — جو اعلی توانائی کی کلید ہے۔ ٹھوس الیکٹرولائٹس کی دریافت جس میں لی میٹل کے ساتھ اعلی الیکٹرو کیمیکل استحکام ہے اور کسی بھی مائع الیکٹرولائٹ سے زیادہ آئنک کنڈکٹیوٹی کے ساتھ سلفائڈ ٹھوس الیکٹرولائٹس نے SSBs کی طرف تحقیقی برادری میں تبدیلی کی حوصلہ افزائی کی ہے۔ اگرچہ ان دریافتوں نے اس وعدے کو تقویت بخشی ہے کہ SSBs تیز رفتار چارجنگ اور توانائی کی کثافت کو دوگنا کرنے کے وژن کو قابل بنا سکتے ہیں، لیکن اس وعدے کی تکمیل صرف اسی صورت میں ممکن ہے جب بیٹری کے مواد کے مکینیکل رویے کو اچھی طرح سمجھ لیا جائے اور SSBs کی ترقی میں کثیر پیمانے پر میکانکس کو مربوط کیا جائے۔ .
آؤٹ لک
کئی اہم چیلنجوں کو حل کیا جانا چاہیے، بشمول (i) ٹھوس الیکٹرولائٹ کی سطح پر غیر یکساں لتیم چڑھانا اور ٹھوس الیکٹرولائٹ کے اندر لتیم دھات کا جمع ہونا؛ (ii) الیکٹرو کیمیکل سائیکلنگ کے ساتھ منسلک حجم کی تبدیلیوں کے نتیجے میں سیل کے اندر انٹرفیشل رابطے کا نقصان جو الیکٹروڈ رابطوں اور اناج کی حدود پر بھی ہوتا ہے۔ اور (iii) بہت پتلی ٹھوس الیکٹرولائٹ اور کم از کم غیر فعال اجزاء کے ساتھ SSBs بنانے کے لیے مینوفیکچرنگ کے عمل، بشمول بائنڈر اور ساختی معاونت۔ میکانکس ان مسائل کو جوڑنے والا ایک عام فرق ہے۔ سیرامک ٹھوس الیکٹرولائٹ کی سطح میں دھاتی لتیم کے جمع ہونے اور حجم کے نقائص کے نتیجے میں مقامی اعلی دباؤ پیدا ہوتا ہے جو دراڑوں میں دھاتی لتیم کے مزید پھیلاؤ کے ساتھ الیکٹرولائٹ فریکچر کا باعث بن سکتا ہے۔ مینوفیکچرنگ میں، کم از کم ضرورت کے طور پر، کیتھوڈ الیکٹرولائٹ کے ڈھیروں میں اتنی طاقت ہونی چاہیے کہ وہ آلات کے ذریعے لگائی جانے والی قوتوں کا مقابلہ کر سکیں۔ ایس ایس بی مواد کی میکانکس کی بہتر تفہیم ٹھوس الیکٹرولائٹس، کیتھوڈس، اینوڈس، اور سیل آرکیٹیکچرز کے ساتھ ساتھ بیٹری کی تیاری اور آپریشن کے دباؤ کو منظم کرنے کے لیے ڈیزائن کیے گئے بیٹری پیک کی ترقی میں منتقل ہو جائے گی۔
تصویر 1 لیتھیم دھات کی سالڈ سٹیٹ بیٹریوں، میکانکس اور نقل و حمل کے مظاہر کا اسکیمیٹک خاکہ۔
شکل 2 لتیم دھات کی لمبائی پیمانہ اور شرح پر منحصر میکانکس۔
شکل 3 پلاسٹکٹی بے ساختہ مواد میں کثافت اور قینچ کے بہاؤ سے شروع ہوتی ہے اور کرسٹل لائن سیرامکس میں ڈس لوکیشن کے تعارف سے سخت ہوتی ہے، اس طرح فریکچر سے بچا جاتا ہے۔
شکل 4 LiPON میں اخترتی کی بحالی، جس کے نتیجے میں نینو انڈینٹیشن کی سائیکلک لوڈنگ کے دوران ہسٹریسس جیسا سلوک ہوتا ہے۔
شکل 5 جامع ٹھوس کیتھوڈ کا تھکاوٹ کا نقصان۔
تصویر 6 ٹھوس الیکٹرولائٹ کے ذریعے لتیم کے پھیلاؤ کا اسکیمیٹک خاکہ۔
