പശ്ചാത്തലം

1800-ൽ ഇറ്റാലിയൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞൻ എ. വോൾട്ട വോൾട്ടായിക് പൈൽ നിർമ്മിച്ചു, ഇത് പ്രായോഗിക ബാറ്ററികളുടെ തുടക്കം തുറക്കുകയും ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ഊർജ്ജ സംഭരണ ​​ഉപകരണങ്ങളിൽ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൻ്റെ പ്രാധാന്യം ആദ്യമായി വിവരിക്കുകയും ചെയ്തു. ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിനെ ഇലക്‌ട്രോണിക് ഇൻസുലേറ്റിംഗും അയോൺ-ചാലകവും ദ്രാവകമോ ഖരരൂപത്തിലുള്ളതോ ആയ ഒരു പാളിയായി കാണാൻ കഴിയും, ഇത് നെഗറ്റീവ്, പോസിറ്റീവ് ഇലക്‌ട്രോഡുകൾക്കിടയിൽ തിരുകുന്നു. നിലവിൽ, ഖര ലിഥിയം ഉപ്പ് (ഉദാ: LiPF6) ജലീയമല്ലാത്ത ഓർഗാനിക് കാർബണേറ്റ് ലായകത്തിൽ (ഉദാ. EC, DMC) ലയിപ്പിച്ചാണ് ഏറ്റവും നൂതനമായ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് നിർമ്മിക്കുന്നത്. പൊതുവായ കോശ രൂപവും രൂപകൽപ്പനയും അനുസരിച്ച്, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് സാധാരണയായി സെൽ ഭാരത്തിൻ്റെ 8% മുതൽ 15% വരെ വരും. എന്ത്'കൂടുതൽ, അതിൻ്റെ ജ്വലനക്ഷമതയും ഒപ്റ്റിമൽ ഓപ്പറേറ്റിംഗ് താപനില പരിധി -10°സി മുതൽ 60 വരെ°ബാറ്ററി ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയും സുരക്ഷയും മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് സി വലിയ തടസ്സം സൃഷ്ടിക്കുന്നു. അതിനാൽ, നൂതന ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഫോർമുലേഷനുകൾ അടുത്ത തലമുറയിലെ പുതിയ ബാറ്ററികൾ വികസിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള പ്രധാന സഹായിയായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു.

വ്യത്യസ്ത ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് സംവിധാനങ്ങൾ വികസിപ്പിക്കാനുള്ള ശ്രമത്തിലാണ് ഗവേഷകർ. ഉദാഹരണത്തിന്, കാര്യക്ഷമമായ ലിഥിയം മെറ്റൽ സൈക്ലിംഗ്, ഓർഗാനിക് അല്ലെങ്കിൽ അജൈവ സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ എന്നിവ കൈവരിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഫ്ലൂറിനേറ്റഡ് ലായകങ്ങളുടെ ഉപയോഗം വാഹന വ്യവസായത്തിനും "സോളിഡ് സ്റ്റേറ്റ് ബാറ്ററികൾക്കും" (എസ്എസ്ബി) ഗുണം ചെയ്യും. പ്രധാന കാരണം, സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് യഥാർത്ഥ ലിക്വിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിനും ഡയഫ്രത്തിനും പകരം വയ്ക്കുകയാണെങ്കിൽ, ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷ, ഏക ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, ആയുസ്സ് എന്നിവ ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്താൻ കഴിയും. അടുത്തതായി, വ്യത്യസ്ത പദാർത്ഥങ്ങളുള്ള ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ ഗവേഷണ പുരോഗതി ഞങ്ങൾ പ്രധാനമായും സംഗ്രഹിക്കുന്നു.

അജൈവ ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ

ചില ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന ബാറ്ററികൾ Na-S, Na-NiCl2 ബാറ്ററികൾ, പ്രാഥമിക Li-I2 ബാറ്ററികൾ എന്നിവ പോലുള്ള വാണിജ്യ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ഊർജ്ജ സംഭരണ ​​ഉപകരണങ്ങളിൽ അജൈവ ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ ഉപയോഗിച്ചിട്ടുണ്ട്. 2019-ൽ, ഹിറ്റാച്ചി സോസെൻ (ജപ്പാൻ) ബഹിരാകാശത്ത് ഉപയോഗിക്കാനും അന്താരാഷ്ട്ര ബഹിരാകാശ നിലയത്തിൽ (ISS) പരീക്ഷിക്കാനും 140 mAh ൻ്റെ ഓൾ-സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് പൗച്ച് ബാറ്ററി പ്രദർശിപ്പിച്ചു. ഈ ബാറ്ററി ഒരു സൾഫൈഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റും മറ്റ് വെളിപ്പെടുത്താത്ത ബാറ്ററി ഘടകങ്ങളും ചേർന്നതാണ്, -40 ന് ഇടയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും.°സിയും 100 ഉം°C. 2021-ൽ കമ്പനി 1,000 mAh-ൻ്റെ ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള സോളിഡ് ബാറ്ററി അവതരിപ്പിക്കുന്നു. ഒരു സാധാരണ പരിതസ്ഥിതിയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന സ്ഥലവും വ്യാവസായിക ഉപകരണങ്ങളും പോലുള്ള കഠിനമായ അന്തരീക്ഷത്തിന് സോളിഡ് ബാറ്ററികളുടെ ആവശ്യകത ഹിറ്റാച്ചി സോസെൻ കാണുന്നു. 2025 ഓടെ ബാറ്ററി കപ്പാസിറ്റി ഇരട്ടിയാക്കാനാണ് കമ്പനി പദ്ധതിയിടുന്നത്. എന്നാൽ ഇതുവരെ, ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഒരു ഓഫ്-ദി-ഷെൽഫ് ഓൾ-സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് ബാറ്ററി ഉൽപ്പന്നം ഇല്ല.

ഓർഗാനിക് അർദ്ധ ഖര, ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ

ഓർഗാനിക് സോളിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് വിഭാഗത്തിൽ, ഫ്രാൻസിലെ ബൊല്ലോറെ ഒരു ജെൽ-ടൈപ്പ് പിവിഡിഎഫ്-എച്ച്എഫ്‌പി ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റും ജെൽ-ടൈപ്പ് പിഇഒ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റും വിജയകരമായി വാണിജ്യവൽക്കരിച്ചു. ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളിൽ ഈ ബാറ്ററി സാങ്കേതികവിദ്യ പ്രയോഗിക്കുന്നതിനായി കമ്പനി വടക്കേ അമേരിക്ക, യൂറോപ്പ്, ഏഷ്യ എന്നിവിടങ്ങളിലും കാർ പങ്കിടൽ പൈലറ്റ് പ്രോഗ്രാമുകൾ ആരംഭിച്ചിട്ടുണ്ട്, എന്നാൽ ഈ പോളിമർ ബാറ്ററി ഒരിക്കലും പാസഞ്ചർ കാറുകളിൽ വ്യാപകമായി സ്വീകരിച്ചിട്ടില്ല. താരതമ്യേന ഉയർന്ന താപനിലയിൽ മാത്രമേ അവ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയൂ എന്നതാണ് അവരുടെ മോശം വാണിജ്യ ദത്തെടുക്കലിന് കാരണമാകുന്ന ഒരു ഘടകം (50°സി മുതൽ 80 വരെ°സി) കൂടാതെ കുറഞ്ഞ വോൾട്ടേജ് ശ്രേണികളും. ഈ ബാറ്ററികൾ ഇപ്പോൾ ചില സിറ്റി ബസുകൾ പോലുള്ള വാണിജ്യ വാഹനങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഊഷ്മാവിൽ ശുദ്ധമായ സോളിഡ് പോളിമർ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ബാറ്ററികൾ ഉപയോഗിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്ന കേസുകളൊന്നുമില്ല (അതായത്, ഏകദേശം 25°സി).

അർദ്ധ ഖര വിഭാഗത്തിൽ ഉയർന്ന വിസ്കോസ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ ഉൾപ്പെടുന്നു, ഉദാഹരണത്തിന്, ഉപ്പ്-ലായനി മിശ്രിതങ്ങൾ, സാധാരണ 1 mol/L-നേക്കാൾ ഉയർന്ന ഉപ്പ് സാന്ദ്രത ഉള്ള ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ലായനി, 4 mol/L വരെ ഉയർന്ന സാച്ചുറേഷൻ പോയിൻ്റുകൾ. സാന്ദ്രീകൃത ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് മിശ്രിതങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള ആശങ്ക ഫ്ലൂറിനേറ്റഡ് ലവണങ്ങളുടെ താരതമ്യേന ഉയർന്ന ഉള്ളടക്കമാണ്, ഇത് ലിഥിയം ഉള്ളടക്കത്തെക്കുറിച്ചും അത്തരം ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ പാരിസ്ഥിതിക ആഘാതത്തെക്കുറിച്ചും ചോദ്യങ്ങൾ ഉയർത്തുന്നു. കാരണം, പ്രായപൂർത്തിയായ ഒരു ഉൽപ്പന്നത്തിൻ്റെ വാണിജ്യവൽക്കരണത്തിന് സമഗ്രമായ ജീവിത ചക്ര വിശകലനം ആവശ്യമാണ്. കൂടാതെ, തയ്യാറാക്കിയ അർദ്ധ-ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾക്കുള്ള അസംസ്കൃത വസ്തുക്കളും ഇലക്‌ട്രിക് വാഹനങ്ങളുമായി കൂടുതൽ എളുപ്പത്തിൽ സംയോജിപ്പിക്കുന്നതിന് ലളിതവും എളുപ്പത്തിൽ ലഭ്യമായതുമായിരിക്കണം.

ഹൈബ്രിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ

മിക്‌സഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾ എന്നും അറിയപ്പെടുന്ന ഹൈബ്രിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾ, സോളിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകളുടെ ഉൽപ്പാദനക്ഷമതയും സ്കേലബിളിറ്റിയും സ്റ്റാക്കിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ആവശ്യകതകളും കണക്കിലെടുത്ത് ജലീയ/ഓർഗാനിക് സോൾവെൻ്റ് ഹൈബ്രിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയോ ഖര ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിലേക്ക് ജലീയമല്ലാത്ത ലിക്വിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് ലായനി ചേർത്തോ പരിഷ്‌ക്കരിക്കാൻ കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, അത്തരം ഹൈബ്രിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ ഇപ്പോഴും ഗവേഷണ ഘട്ടത്തിലാണ്, വാണിജ്യപരമായ ഉദാഹരണങ്ങളൊന്നുമില്ല.

ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ വാണിജ്യ വികസനത്തിനുള്ള പരിഗണനകൾ

ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ ഏറ്റവും വലിയ ഗുണങ്ങൾ ഉയർന്ന സുരക്ഷിതത്വവും ദീർഘമായ സൈക്കിൾ ജീവിതവുമാണ്, എന്നാൽ ഇതര ദ്രാവക അല്ലെങ്കിൽ ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ വിലയിരുത്തുമ്പോൾ ഇനിപ്പറയുന്ന പോയിൻ്റുകൾ ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം പരിഗണിക്കണം:

• ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൻ്റെ നിർമ്മാണ പ്രക്രിയയും സിസ്റ്റം രൂപകൽപ്പനയും. ലബോറട്ടറി ഗേജ് ബാറ്ററികളിൽ സാധാരണയായി നൂറുകണക്കിന് മൈക്രോൺ കട്ടിയുള്ളതും ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ ഒരു വശത്ത് പൊതിഞ്ഞതുമായ ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് കണങ്ങൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ഈ ചെറിയ സോളിഡ് സെല്ലുകൾ വലിയ സെല്ലുകൾക്ക് (10 മുതൽ 100Ah വരെ) ആവശ്യമായ പ്രകടനത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നില്ല, കാരണം നിലവിലെ പവർ ബാറ്ററികൾക്ക് ആവശ്യമായ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ സ്പെസിഫിക്കേഷൻ 10~100Ah ആണ്.
• സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റും ഡയഫ്രത്തിൻ്റെ പങ്ക് മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുന്നു. അതിൻ്റെ ഭാരവും കനവും പിപി/പിഇ ഡയഫ്രത്തേക്കാൾ കൂടുതലായതിനാൽ, ഭാരസാന്ദ്രത കൈവരിക്കാൻ ഇത് ക്രമീകരിക്കണം.≥350Wh/kgഊർജ സാന്ദ്രതയും≥900Wh/അതിൻ്റെ വാണിജ്യവത്ക്കരണത്തെ തടസ്സപ്പെടുത്താതിരിക്കാൻ എൽ.

ബാറ്ററി എപ്പോഴും ഒരു പരിധിവരെ സുരക്ഷാ അപകടമാണ്. സോളിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾ, അത് ദ്രാവകങ്ങളേക്കാൾ സുരക്ഷിതമാണെങ്കിലും, തീപിടിക്കാൻ സാധ്യതയില്ല. ചില പോളിമറുകൾക്കും അജൈവ ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾക്കും ഓക്സിജനുമായോ വെള്ളവുമായോ പ്രതിപ്രവർത്തിച്ച് ചൂടും വിഷവാതകങ്ങളും ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് തീയും സ്ഫോടനവും അപകടമുണ്ടാക്കുന്നു. സിംഗിൾ സെല്ലുകൾക്ക് പുറമേ, പ്ലാസ്റ്റിക്, കേസുകൾ, പാക്ക് വസ്തുക്കൾ എന്നിവ അനിയന്ത്രിതമായ ജ്വലനത്തിന് കാരണമാകും. അതിനാൽ ആത്യന്തികമായി, ഒരു സമഗ്രമായ, സിസ്റ്റം തലത്തിലുള്ള സുരക്ഷാ പരിശോധന ആവശ്യമാണ്.