પૃષ્ઠભૂમિ

1800 માં, ઇટાલિયન ભૌતિકશાસ્ત્રી એ. વોલ્ટાએ વોલ્ટેઇક પાઇલનું નિર્માણ કર્યું, જેણે પ્રાયોગિક બેટરીની શરૂઆત કરી અને પ્રથમ વખત ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઊર્જા સંગ્રહ ઉપકરણોમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું મહત્વ વર્ણવ્યું. ઇલેક્ટ્રોલાઇટને ઇલેક્ટ્રોનિકલી ઇન્સ્યુલેટીંગ અને આયન-વાહક સ્તર તરીકે પ્રવાહી અથવા ઘન સ્વરૂપમાં જોઈ શકાય છે, જે નકારાત્મક અને હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે દાખલ કરવામાં આવે છે. હાલમાં, સૌથી અદ્યતન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઘન લિથિયમ મીઠું (દા.ત. LiPF6) ને બિન-જલીય કાર્બનિક કાર્બોનેટ દ્રાવક (દા.ત. EC અને DMC) માં ઓગાળીને બનાવવામાં આવે છે. કોષના સામાન્ય સ્વરૂપ અને ડિઝાઇન મુજબ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સામાન્ય રીતે કોષના વજનના 8% થી 15% જેટલો હિસ્સો ધરાવે છે. શું's વધુ, તેની જ્વલનશીલતા અને શ્રેષ્ઠ ઓપરેટિંગ તાપમાન શ્રેણી -10°સી થી 60°C બેટરી ઉર્જા ઘનતા અને સલામતીમાં વધુ સુધારણાને મોટા પ્રમાણમાં અવરોધે છે. તેથી, નવીન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફોર્મ્યુલેશનને નવી બેટરીની આગામી પેઢીના વિકાસ માટે ચાવીરૂપ સક્ષમ માનવામાં આવે છે.

સંશોધકો વિવિધ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સિસ્ટમો વિકસાવવા માટે પણ કામ કરી રહ્યા છે. ઉદાહરણ તરીકે, ફ્લોરિનેટેડ સોલવન્ટ્સનો ઉપયોગ જે કાર્યક્ષમ લિથિયમ મેટલ સાયકલિંગ, કાર્બનિક અથવા અકાર્બનિક સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ કે જે વાહન ઉદ્યોગ અને "સોલિડ સ્ટેટ બેટરી" (SSB) માટે ફાયદાકારક છે હાંસલ કરી શકે છે. મુખ્ય કારણ એ છે કે જો નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મૂળ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને ડાયાફ્રેમને બદલે છે, તો બેટરીની સલામતી, એકલ ઉર્જા ઘનતા અને જીવનકાળ નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકાય છે. આગળ, અમે મુખ્યત્વે વિવિધ સામગ્રી સાથે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની સંશોધન પ્રગતિનો સારાંશ આપીએ છીએ.

અકાર્બનિક ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ

અકાર્બનિક ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો ઉપયોગ વ્યાવસાયિક ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઊર્જા સંગ્રહ ઉપકરણોમાં કરવામાં આવ્યો છે, જેમ કે કેટલીક ઉચ્ચ-તાપમાન રિચાર્જેબલ બેટરી Na-S, Na-NiCl2 બેટરી અને પ્રાથમિક Li-I2 બેટરી. 2019 માં પાછા, હિટાચી ઝોસેન (જાપાન) એ અવકાશમાં ઉપયોગમાં લેવા માટે 140 mAh ની ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ પાઉચ બેટરીનું પ્રદર્શન કર્યું અને ઇન્ટરનેશનલ સ્પેસ સ્ટેશન (ISS) પર પરીક્ષણ કર્યું. આ બેટરી સલ્ફાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને અન્ય અજાણ્યા બેટરી ઘટકોથી બનેલી છે, જે -40 ની વચ્ચે કામ કરી શકે છે.°સી અને 100°C. 2021 માં કંપની 1,000 mAh ની ઊંચી ક્ષમતાવાળી સોલિડ બેટરી રજૂ કરી રહી છે. હિટાચી ઝોસેન સામાન્ય વાતાવરણમાં કાર્યરત જગ્યા અને ઔદ્યોગિક સાધનો જેવા કઠોર વાતાવરણ માટે નક્કર બેટરીની જરૂરિયાત જુએ છે. કંપની 2025 સુધીમાં બેટરી ક્ષમતાને બમણી કરવાની યોજના ધરાવે છે. પરંતુ અત્યાર સુધી, ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં ઉપયોગ કરી શકાય તેવી કોઈ ઑફ-ધ-શેલ્ફ ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી પ્રોડક્ટ નથી.

કાર્બનિક અર્ધ ઘન અને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ

કાર્બનિક ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ શ્રેણીમાં, ફ્રાન્સના બોલોરે સફળતાપૂર્વક જેલ-પ્રકાર PVDF-HFP ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને જેલ-પ્રકાર પીઇઓ ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું વ્યાપારીકરણ કર્યું છે. કંપનીએ આ બેટરી ટેક્નોલોજીને ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં લાગુ કરવા માટે ઉત્તર અમેરિકા, યુરોપ અને એશિયામાં કાર-શેરિંગ પાયલોટ પ્રોગ્રામ્સ પણ શરૂ કર્યા છે, પરંતુ આ પોલિમર બેટરીને પેસેન્જર કારમાં ક્યારેય વ્યાપકપણે અપનાવવામાં આવી નથી. તેમના નબળા વ્યાપારી અપનાવવામાં ફાળો આપતું એક પરિબળ એ છે કે તેઓ માત્ર પ્રમાણમાં ઊંચા તાપમાને જ વાપરી શકાય છે (50°સી થી 80°સી) અને ઓછી વોલ્ટેજ રેન્જ. આ બેટરીનો ઉપયોગ હવે કોમર્શિયલ વાહનોમાં થઈ રહ્યો છે, જેમ કે કેટલીક સિટી બસ. ઓરડાના તાપમાને શુદ્ધ નક્કર પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બેટરી સાથે કામ કરવાના કોઈ કેસ નથી (એટલે ​​​​કે, લગભગ 25°સી).

સેમિસોલિડ કેટેગરીમાં અત્યંત ચીકણા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો સમાવેશ થાય છે, જેમ કે મીઠું-દ્રાવક મિશ્રણ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્રાવણ કે જેમાં પ્રમાણભૂત 1 mol/L કરતાં વધુ મીઠું સાંદ્રતા હોય છે, જેમાં સાંદ્રતા અથવા સંતૃપ્તિ બિંદુઓ 4 mol/L જેટલા ઊંચા હોય છે. કેન્દ્રિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મિશ્રણની ચિંતા એ ફ્લોરિનેટેડ ક્ષારની પ્રમાણમાં ઊંચી સામગ્રી છે, જે લિથિયમની સામગ્રી અને આવા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની પર્યાવરણીય અસર વિશે પણ પ્રશ્નો ઉભા કરે છે. આ એટલા માટે છે કારણ કે પરિપક્વ ઉત્પાદનના વેપારીકરણ માટે વ્યાપક જીવન ચક્ર વિશ્લેષણની જરૂર છે. અને તૈયાર સેમી-સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ માટેનો કાચો માલ પણ ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં વધુ સરળતાથી એકીકૃત થવા માટે સરળ અને સરળતાથી ઉપલબ્ધ હોવો જરૂરી છે.

હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ

હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ, જેને મિશ્ર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તેને જલીય/કાર્બનિક દ્રાવક હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના આધારે અથવા નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં બિન-જલીય પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્રાવણ ઉમેરીને સુધારી શકાય છે, ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની ઉત્પાદનક્ષમતા અને માપનીયતા અને સ્ટેકીંગ ટેક્નોલોજી માટેની જરૂરિયાતોને ધ્યાનમાં રાખીને. જો કે, આવા હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ હજુ પણ સંશોધનના તબક્કામાં છે અને ત્યાં કોઈ વ્યાવસાયિક ઉદાહરણો નથી.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના વ્યવસાયિક વિકાસ માટેની વિચારણાઓ

નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના સૌથી મોટા ફાયદાઓ ઉચ્ચ સલામતી અને લાંબી ચક્ર જીવન છે, પરંતુ વૈકલ્પિક પ્રવાહી અથવા ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનું મૂલ્યાંકન કરતી વખતે નીચેના મુદ્દાઓ કાળજીપૂર્વક ધ્યાનમાં લેવા જોઈએ:

• ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા અને સિસ્ટમ ડિઝાઇન. લેબોરેટરી ગેજ બેટરીમાં સામાન્ય રીતે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કણો હોય છે જેમાં સો માઇક્રોન જાડા હોય છે, જે ઇલેક્ટ્રોડ્સની એક બાજુ કોટેડ હોય છે. આ નાના ઘન કોષો મોટા કોષો (10 થી 100Ah) માટે જરૂરી કામગીરીના પ્રતિનિધિ નથી, કારણ કે વર્તમાન પાવર બેટરી માટે 10~100Ah ની ક્ષમતા એ ન્યૂનતમ સ્પષ્ટીકરણ જરૂરી છે.
• સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પણ ડાયાફ્રેમની ભૂમિકાને બદલે છે. તેનું વજન અને જાડાઈ PP/PE ડાયાફ્રેમ કરતા વધારે હોવાથી વજનની ઘનતા હાંસલ કરવા માટે તેને સમાયોજિત કરવું આવશ્યક છે.≥350Wh/kgઅને ઊર્જા ઘનતા≥900Wh/તેના વ્યાપારીકરણમાં અવરોધ ન આવે તે માટે એલ.

બેટરી હંમેશા અમુક અંશે સલામતીનું જોખમ છે. સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ, જો કે તે પ્રવાહી કરતાં વધુ સુરક્ષિત છે, તે જરૂરી નથી કે તે બિન-જ્વલનશીલ હોય. કેટલાક પોલિમર અને અકાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ઓક્સિજન અથવા પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે, ગરમી અને ઝેરી વાયુઓ ઉત્પન્ન કરે છે જે આગ અને વિસ્ફોટનું જોખમ પણ બનાવે છે. એક કોષો ઉપરાંત, પ્લાસ્ટિક, કેસ અને પેક સામગ્રી અનિયંત્રિત કમ્બશનનું કારણ બની શકે છે. તેથી આખરે, એક સર્વગ્રાહી, સિસ્ટમ-સ્તરની સલામતી પરીક્ષણની જરૂર છે.