Solid-state silicon battery
ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿ ಅಥವಾ ಸಿಲಿಕಾನ್-ಆನೋಡ್ ಆಲ್-ಸಾಲಿಡ್-ಸ್ಟೇಟ್ ಬ್ಯಾಟರಿಯು ಘನ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯ, ಘನ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಮತ್ತು ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆಧಾರಿತ ಘನ ಆನೋಡ್ ಅನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುವ ಪುನರ್ಭರ್ತಿ ಮಾಡಬಹುದಾದ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಯ ಒಂದು ವಿಧವಾಗಿದೆ. ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಲ್ಲಿ, ಲಿಥಿಯಂ ಅಯಾನುಗಳು ಘನ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯದ ಮೂಲಕ ಧನಾತ್ಮಕ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ನಿಂದ ಋಣಾತ್ಮಕ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆನೋಡ್ಗೆ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ. ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಿಗೆ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆನೋಡ್ಗಳನ್ನು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡಲಾಗಿದ್ದರೂ, ದ್ರವ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳೊಂದಿಗೆ ಸಾಮಾನ್ಯ ಹೊಂದಾಣಿಕೆಯಾಗದ ಕಾರಣ ಅವುಗಳನ್ನು ಹೆಚ್ಚಾಗಿ ಅಸಾಧ್ಯವೆಂದು ತಳ್ಳಿಹಾಕಲಾಗಿದೆ. 2021ರಲ್ಲಿನ ಬೆಳವಣಿಗೆಗಳು ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ಸಾಧ್ಯವೆಂದು ತೋರಿಸಿದವು ಮತ್ತು ಊಹಿಸಲಾದ ಅನೇಕ ಪ್ರಯೋಜನಗಳನ್ನು ನೀಡುತ್ತವೆ. ಘನ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳು ಆನೋಡ್ನೊಂದಿಗೆ ಹೆಚ್ಚು ಸುಲಭವಾಗಿ ಇಂಟರ್ಫೇಸ್ ಮಾಡುತ್ತವೆ. ಈ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ಕಡಿಮೆ ಶಕ್ತಿಯ-ದಟ್ಟವಾದ ವಸ್ತುಗಳ ಬದಲಿಗೆ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಅನ್ನು ಬಳಸುವುದರಿಂದ ಇತರ ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಿಗಿಂತ ಭಿನ್ನವಾಗಿವೆ. ಸಿಲಿಕಾನ್ನೊಂದಿಗೆ ಕೆಲಸ ಮಾಡುವುದು ಕಷ್ಟ ಏಕೆಂದರೆ ಇದು ಲಿಥಿಯೇಷನ್ ಸಮಯದಲ್ಲಿ 300% ಮೇಲೆ ವಿಸ್ತರಿಸುತ್ತದೆ (ಇದನ್ನು ಲಿಥಿಯಂ ಇಂಟರ್ಕ್ಯಾಲೇಷನ್ ಎಂದೂ ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ). ಇದು ಇತರ ಪ್ರಮುಖ ತೊಂದರೆಗೆ ಕಾರಣವಾಗುತ್ತದೆಃ ಬ್ಯಾಟರಿಯೊಳಗೆ ಸಂಗ್ರಹವಾಗುವುದರಿಂದ ಉಂಟಾಗುವ ಲಿಥಿಯಂ ನಷ್ಟ. ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳನ್ನು ಮೊದಲ ಬಾರಿಗೆ 1949ರ ಫ್ರೆಂಚ್ ಪೇಟೆಂಟ್ನಲ್ಲಿ ಪ್ರಸ್ತಾಪಿಸಲಾಯಿತು. ಸಂಶೋಧನೆ ಮತ್ತು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಯು 1960ರ ದಶಕದಲ್ಲಿ ಪ್ರಾರಂಭವಾಯಿತು. ಈ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ಆರಂಭದಲ್ಲಿ ಸಾವಯವ ದ್ರವ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳನ್ನು ಬಳಸುತ್ತಿದ್ದವು, ಇದು ಎರಡು ಪ್ರಮುಖ ಸಮಸ್ಯೆಗಳನ್ನು ಎದುರಿಸಿತುಃ ಸಾವಯವ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳು ಮತ್ತು ಲಿಥಿಯಂ ಲೋಹಗಳು ಒಟ್ಟಾಗಿ ಅಸ್ಥಿರವಾಗಿದ್ದವು, ಮತ್ತು ಸೈಕ್ಲಿಂಗ್ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಡೆಂಡ್ರೈಟ್ಗಳು ಬೆಳೆದವು, ಇದು ಶಾರ್ಟ್ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್ಗಳಿಗೆ ಕಾರಣವಾಗಬಹುದು. 1980ರ ದಶಕದಲ್ಲಿ, ಎರಡು ಪರಿಹಾರಗಳನ್ನು ಪ್ರಸ್ತಾಪಿಸಲಾಯಿತುಃ ಲಿಥಿಯಂ ಅನ್ನು ಬೇರೆ ಕೆಲವು ವಸ್ತುಗಳೊಂದಿಗೆ ಬದಲಾಯಿಸಿ, ಘನ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯವನ್ನು ಬಳಸಿ. ಇವುಗಳಲ್ಲಿ ಎರಡನೆಯದರ ಸಂಶೋಧನೆಯು ಮೊದಲ ಪುನರ್ಭರ್ತಿ ಮಾಡಬಹುದಾದ ಎಲ್ಲಾ-ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಲಿಥಿಯಂ ಲೋಹದ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಿಗೆ ಕಾರಣವಾಯಿತು. ಕ್ಯಾಲಿಫೋರ್ನಿಯಾ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾಲಯ, ಸ್ಯಾನ್ ಡಿಯಾಗೋದ ಎಂಜಿನಿಯರ್ಗಳು ಮತ್ತು ಎಲ್ಜಿ ಎನರ್ಜಿ ಸೊಲ್ಯೂಶನ್ಸ್ನ ಸಂಶೋಧಕರ ಸಹಯೋಗದೊಂದಿಗೆ ಲ್ಯಾಬ್ ಮೂಲಮಾದರಿಯ ಸಿಲಿಕಾನ್-ಆನೋಡ್ ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಬ್ಯಾಟರಿಯನ್ನು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಲಾಗಿದೆ. ಘನ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್ ಮತ್ತು ಮೈಕ್ರೋಸಿಲಿಕಾನ್ ಜಾಲರಿ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರವನ್ನು ಸಂಯೋಜಿಸುವ ಪ್ರಯತ್ನಗಳು ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿಯ ಸಾಂದ್ರತೆ, ನೂರಾರು ಚಾರ್ಜಿಂಗ್ ಚಕ್ರಗಳಲ್ಲಿ ಕಡಿಮೆ ಸಾಮರ್ಥ್ಯದ ಅವನತಿ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ಚಾರ್ಜಿಂಗ್ ತಾಪಮಾನವನ್ನು ಸಾಧಿಸಿದವು. ಸಿಲಿಕಾನ್ ವರ್ಸಸ್ ಲಿಥಿಯಂ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆನೋಡ್ಗಳು 4200 ಎಂಎಎಚ್/ಜಿ ಸೈದ್ಧಾಂತಿಕ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಹೊಂದಿವೆ, ಇದು ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆನೋಡ್ಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳ 372 ಎಂಎಎಚ್/ಜಿಗಿಂತ 10 ಪಟ್ಟು ಹೆಚ್ಚು. ಆದಾಗ್ಯೂ, ಅವು ದ್ರವ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳಲ್ಲಿ ಕ್ಷೀಣಿಸುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಶಕ್ತಿಯ ವರ್ಗಾವಣೆಯ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ವಿಸ್ತರಣೆ ಮತ್ತು ಸಂಕೋಚನದ ಸಮಸ್ಯೆಗಳನ್ನು ಎದುರಿಸುತ್ತವೆ. ಈ ಸಮಸ್ಯೆಗಳನ್ನು ತಗ್ಗಿಸುವ ಪ್ರಯತ್ನಗಳು ಹೆಚ್ಚು ಸ್ಥಿರವಾದ ವಸ್ತುಗಳಿಗಾಗಿ ಕೆಲವು ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ತ್ಯಾಗ ಮಾಡುವ ಮೂಲಕ ಆನೋಡ್ನ ರಚನೆಯನ್ನು ಬದಲಾಯಿಸುವುದನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತವೆ. ದ್ರವ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳೊಂದಿಗಿನ ಸಮಸ್ಯೆಗಳನ್ನು ತಗ್ಗಿಸುವ ಇತರ ಪ್ರಯತ್ನಗಳು ಹೆಚ್ಚು ಪರಿಣಾಮಕಾರಿ ಇಂಟರ್ಫೇಸಿಂಗ್ಗಾಗಿ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯವನ್ನು ಸರಿಹೊಂದಿಸುವುದನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತವೆ. ಸಿಲಿಕಾನ್ನ ಅತಿದೊಡ್ಡ ಸಮಸ್ಯೆಯೆಂದರೆ ಆನೋಡ್ನಲ್ಲಿ ಲಿಥಿಯಂ ಅಯಾನುಗಳು ಸಿಕ್ಕಿಬೀಳುವುದು. ತೊಂದರೆಗಳ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ, ಎಲ್ಲಾ ವಾಣಿಜ್ಯ ಅಪ್ಲಿಕೇಶನ್ಗಳನ್ನು ಕೈಬಿಡಲಾಯಿತು. ವಿನ್ಯಾಸ ಯುಸಿಎಸ್ಡಿ/ಎಲ್ಜಿ ಎನರ್ಜಿ ಸೊಲ್ಯೂಷನ್ಸ್ ಈ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವು ಸಲ್ಫೇಟ್ ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯಗಳನ್ನು (ಎಸ್ಎಸ್ಇ) ಸ್ಥಿರಗೊಳಿಸಲು ಮತ್ತು 99.9% ತೂಕದ ಎಂಯುಎಸ್ಐ ಆನೋಡ್ನ ಬಳಕೆಗೆ ಅನುವು ಮಾಡಿಕೊಡುತ್ತದೆ. ಇದು ಲಿಥಿಯೇಷನ್ ಮತ್ತು ಲಿಥಿಯಂ ಡೆಂಡ್ರೈಟ್ ಬೆಳವಣಿಗೆಯ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆನೋಡ್ನ ಗಾತ್ರದ ಬದಲಾವಣೆಗಳನ್ನು ಮಿತಿಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ. ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಎಂದರೆ ಲಿಥಿಯಂ ನಿಕೆಲ್ ಕೋಬಾಲ್ಟ್ ಮ್ಯಾಂಗನೀಸ್ ಆಕ್ಸೈಡ್. ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯದ ಬಳಕೆಯು ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯದೊಂದಿಗಿನ μSiನ ಸಂಪರ್ಕವನ್ನು ಸಮತಟ್ಟಾದ, ಘನ ಮೇಲ್ಮೈಗೆ ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ. ಇದು ಲಿ-ಸಿ ಹರಡುವಿಕೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚು ಹಿಮ್ಮೆಟ್ಟಿಸುವಂತೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ. ಲೋಹವಲ್ಲದ ಲಿಥಿಯಂ ಮೂಲದ ಬಳಕೆಯು ಲೋಹದ ಲಿಥಿಯಂ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳನ್ನು ಚಾರ್ಜ್ ಮಾಡಲು ಅಗತ್ಯವಿರುವ ಹೆಚ್ಚಿನ ತಾಪಮಾನವನ್ನು ನಿವಾರಿಸುತ್ತದೆ. ಇಂಟರ್ಫೇಸ್ ಕಡಿಮೆ ಚಾರ್ಜಿಂಗ್ ತಾಪಮಾನ ಮತ್ತು ಉತ್ತಮ ಇಂಟರ್ಫೇಸಿಂಗ್ ಅನ್ನು ಅನುಮತಿಸಲು, ಬ್ಯಾಟರಿಯು μSi | |SSE | |lithium-ನಿಕೆಲ್-ಕೋಬಾಲ್ಟ್-ಮ್ಯಾಂಗನೀಸ್ ಆಕ್ಸೈಡ್ (NCM811-LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) ಅನ್ನು ಬಳಸುತ್ತದೆ. ದ್ರವ ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ವಿದ್ಯುದ್ವಾರ ಮತ್ತು ವಿದ್ಯುದ್ವಿಚ್ಛೇದ್ಯದ ನಡುವೆ ಮೂರು ಆಯಾಮದ ಸಂಪರ್ಕವನ್ನು ಹೊಂದಿದ್ದರೂ, ಸಿಲಿಕಾನ್ ಸಂಪರ್ಕದ ಒಂದೇ ಸಮತಲವನ್ನು ಅನುಮತಿಸುವಷ್ಟು ವಾಹಕವಾಗಿದೆ. ಲಿಥಿಯಂ ಪರಸ್ಪರ ಕ್ರಿಯೆಯಿಂದ ಉಂಟಾಗುವ ಪರಿಮಾಣ ಬದಲಾವಣೆಯ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಎಸ್ಎಸ್ಇ ಮತ್ತು ಮೈಕ್ರೋಸಿ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರದ ಇಂಟರ್ಫೇಸ್ ಒಂದೇ ಸಮತಲವಾಗಿ ಉಳಿಯುತ್ತದೆ. ಒಂದೇ ಸಮತಲವು ಬಹು-ಕೋನೀಯ ಸಂಪರ್ಕಸಾಧನಗಳನ್ನು ತಡೆಯುತ್ತದೆ, ಅದು ರಚನಾತ್ಮಕ ವೈಫಲ್ಯಕ್ಕೆ ಕಾರಣವಾಗುತ್ತದೆ. ವಿಶಿಷ್ಟವಾದ ಆನೋಡ್ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ಇಂಗಾಲವನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಆನೋಡ್ ಅನ್ನು ಬಳಸುತ್ತವೆ, ಅಸ್ತಿತ್ವದಲ್ಲಿರುವ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಮಿಶ್ರಣಗಳಿಗೆ ತೂಕದಿಂದ 20 ಮತ್ತು 40 ಪ್ರತಿಶತದ ನಡುವೆ. ಇದು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿರಬಹುದು ಅಥವಾ ಬದಲಿಗೆ ಇಂಗಾಲದ ಸೇರ್ಪಡೆಗಳನ್ನು ಬಳಸಬಹುದು. ಎನ್ಸಿಎಂ811 ಅನ್ನು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಆಗಿ ಬಳಸುವ ಪರೀಕ್ಷೆಯಲ್ಲಿ, ಇಂಗಾಲದ ಆನೋಡ್ 2.5 ವಿ ಆರಂಭಿಕ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಪ್ರಸ್ಥಭೂಮಿಯನ್ನು ಹೊಂದಿತ್ತು. ಅದೇ ಪರೀಕ್ಷೆಯಲ್ಲಿ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆನೋಡ್ 3.5 ವಿ ಆರಂಭಿಕ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಪ್ರಸ್ಥಭೂಮಿಯನ್ನು ಹೊಂದಿತ್ತು. ಇಂಗಾಲವಿಲ್ಲದ ಆನೋಡ್ ಅನ್ನು ಬಳಸುವುದು ಎಸ್ಎಸ್ಇ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಕೆಮಿಕಲ್ ವಿಭಜನೆಗೆ ಒಳಗಾಗುವುದನ್ನು ತಡೆಯಲು ಮುಖ್ಯವಾಗಿದೆ. ಇಂಗಾಲದ ಆನೋಡ್ ಘನ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್ ಇಂಟರ್ಫೇಸ್ನ ರಚನೆಗೆ ಕಾರಣವಾಯಿತು, ಇದು ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್ ವಿಭಜನೆಯ ಅನಪೇಕ್ಷಿತ ಫಲಿತಾಂಶವಾಗಿದೆ. ಇಂಗಾಲ-ಮುಕ್ತ ಬ್ಯಾಟರಿಯಲ್ಲಿ, ಎಸ್ಇಐ ತ್ವರಿತವಾಗಿ ಸ್ಥಿರವಾಯಿತು. ಲಿಥಿಯಂ ಫಾಸ್ಫರಸ್ ಸಲ್ಫೈಡ್ ಕ್ಲೋರೈಡ್ ಕಡಿಮೆ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯಾತ್ಮಕ ಉತ್ಪನ್ನಗಳನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ. ಸಿಲಿಕಾನ್ ಆಲ್-ಸಾಲಿಡ್-ಸ್ಟೇಟ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳೊಂದಿಗಿನ ಅತ್ಯಂತ ಪ್ರಮುಖ ಸಮಸ್ಯೆಯೆಂದರೆ ಕಾಲಾನಂತರದಲ್ಲಿ ಬ್ಯಾಟರಿಯಲ್ಲಿನ ಶಕ್ತಿಯ ನಷ್ಟವನ್ನು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡುವುದು, ಇದು ಅದರ ಜೀವಿತಾವಧಿಯನ್ನು ಮಿತಿಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ. ಉಲ್ಲೇಖಗಳು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್