नई इंटरफेस रणनीति ठोस अवस्था बैटरियों में आयन प्रवाह को बढ़ाती है

लिथियम-आयन बैटरियों ने वैश्विक मानक बना लिया है। आज, यह सबसे लोकप्रिय और व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला बैटरी का प्रकार है, जिसका बाजार आकार लगभग $65 बिलियन 2023 में मूल्यांकन किया गया है।

लेकिन, जैसा कि अपेक्षित था, वे तापमान संवेदनशीलता, सुरक्षा चिंताओं और सीमित जीवनकाल जैसी कमियों के बिना नहीं हैं।

लिथियम-आयन बैटरियों को सुरक्षित और अधिक शक्तिशाली बनाने के लिए, तरल इलेक्ट्रोलाइट्स को ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स से बदल दिया जा रहा है ताकि ठोस अवस्था बैटरियों का निर्माण किया जा सके, जिसका बाजार dự kiến 2024 और 2032 के बीच 41.6% की दर से बढ़ने की संभावना है।

ठोस अवस्था बैटरियों (एसएसबी) में परिवर्तन

एक बैटरी में, इलेक्ट्रोलाइट वह सामग्री है जो आयनों को उपकरण के माध्यम से ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जाने की अनुमति देती है।

तो, एक बैटरी जिसमें एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट है, एक ठोस अवस्था बैटरी है, जो उच्च ऊर्जा घनत्व, तेज चार्जिंग, तापमान लचीलापन, लंबे समय तक चलने वाली और बढ़ी हुई सुरक्षा प्रदान करती है।

हालांकि उनके वादे के बावजूद, एसएसबी को भी कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जिनमें जटिल निर्माण और डेंड्राइट गठन से संबंधित संभावित सुरक्षा चिंताएं शामिल हैं। इसके अलावा, वे इंटरफेसियल डिलामिनेशन का अनुभव कर सकते हैं, जो उनके प्रदर्शन और जीवनकाल को सीमित करता है। इन सीमाओं के संयोजन से एसएसबी को व्यापक रूप से अपनाने में बाधा आती है।

इन चुनौतियों को पार करने के लिए, दुनिया भर के शोधकर्ता और कंपनियां सक्रिय रूप से प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने पर काम कर रहे हैं।

उदाहरण के लिए, सैमसंग एसडीआई एक लक्ष्य को अपनी प्रोप्राइटरी ठोस इलेक्ट्रोलाइट और एनोड-लेस प्रौद्योगिकियों के माध्यम से 900 व्हीएच/एल की ऊर्जा घनत्व को लक्षित कर रहा है, जो उनकी वर्तमान बैटरियों की तुलना में 40% अधिक है।

चीनी दिग्गज कैटीएल और बीवाईडी भी एसएसबी प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण प्रगति कर रहे हैं, जिसमें पूर्व एक हाइब्रिड “संघनित अवस्था बैटरी” पर काम कर रहा है और बाद वाला ऑक्साइड और सल्फाइड आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स पर शोध कर रहा है, दोनों 500 व्हीएच/किग्रा की ऊर्जा घनत्व को लक्षित कर रहे हैं।

यूरोप में, फोक्सवैगन ने क्वांटमस्केप के साथ साझेदारी की है, जिसका बैटरी यूनिट, पावरको, ने 40 जीएचव्ही प्रति वर्ष की प्रारंभिक क्षमता के साथ ठोस अवस्था सेल का बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए एक लाइसेंसिंग सौदा हासिल किया है, 30% अधिक श्रृंखला और अल्ट्रा-फास्ट चार्जिंग।

निसान अपने पहले ठोस अवस्था सेल का दशक के अंत से पहले बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू करने की योजना बना रहा है, जबकि एलजी 2030 में व्यावसायीकरण को लक्षित कर रहा है। सॉलिड पावर ने फोर्ड, बीएमडब्ल्यू और एसके इनोवेशन के साथ मिलकर इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सल्फाइड आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स पर ध्यान केंद्रित करते हुए ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी प्रौद्योगिकी के व्यावसायीकरण को तेज करने के लिए साझेदारी की है।

इस महीने की शुरुआत में, जर्मन बहुराष्ट्रीय ऑटोमोटिव कंपनी मेर्सेडीज-बेंज ग्रुप एजी (पूर्व में डेमलर) ने प्रकट किया कि यह लिथियम-धातु एसएसबी से संचालित पहली कार सड़क पर है। प्रोटोटाइप एसएसबी पिछले साल के अंत में एक ईक्यूएस में एकीकृत किया गया था।

कंपनी के अनुसार, एक ईक्यूएस-आधारित वाहन में एसएसबी ड्राइविंग रेंज को 25% तक बढ़ा सकती है।

तो, जबकि प्रगति में, एसएसबी का व्यावसायीकरण अभी भी कई वर्षों दूर है। इस बीच, टेक्सास विश्वविद्यालय के डलास में शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठोस अवस्था बैटरियों के प्रदर्शन को बढ़ाने का एक तरीका खोजा है।

एसएसबी में आयनिक चालकता में सुधार

एसीई एनर्जी लेटर्स में प्रकाशित最新 अध्ययन विवरण देता है एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट को दूसरे ठोस के साथ मिलाने पर बढ़ी हुई आयनिक चालकता की खोज¹।

यह बढ़ी हुई आयनिक चालकता इंटरफेस पर एक स्पेस चार्ज लेयर के गठन के कारण होती है, जो एसएसबी के लिए तेज आयनिक चालकों के विकास के लिए एक नई रणनीति प्रदान करती है।

अध्ययन के सह-लेखक, डॉ. लैसुओ सू, जो एरिक जोन्सन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड कंप्यूटर साइंस में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर हैं, ने कहा:

“कल्पना कीजिए कि आप दो सामग्रियों को मिलाते हैं और अप्रत्याशित रूप से एक परिणाम प्राप्त करते हैं जो प्रत्येक सामग्री से बेहतर है।”

उन्होंने कहा:

“यह प्रभाव दोनों सामग्रियों द्वारा अकेले प्राप्त की जा सकने वाली तुलना में आयनों की गति को बढ़ाता है।”

डॉ. सू का शोध पुनर्चक्रीय ऊर्जा उपकरणों के लिए क्रांतिकारी सामग्री विकसित करने पर केंद्रित है।

“यह खोज सुझाव देती है कि बेहतर ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को डिज़ाइन करने का एक नया तरीका हो सकता है, जो आयनिक गति को बढ़ाने वाले तरीके से प्रतिक्रिया करने वाली सामग्रियों का ध्यानपूर्वक चयन करके।”

– डॉ. सू

अध्ययन के सह-लेखक, डॉ. क्योंगजेई चो, जो सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और बैटरियों और ऊर्जा को आगे बढ़ाने के लिए वाणिज्यिक और राष्ट्रीय सुरक्षा (बीकॉन्स) के निदेशक हैं, ने कहा:

“ठोस अवस्था बैटरी प्रौद्योगिकी हमारे अगली पीढ़ी की बैटरी रसायन विज्ञान अनुसंधान का हिस्सा है, और यह रक्षा अनुप्रयोगों के लिए ड्रोन के प्रदर्शन में सुधार करने में सक्षम होने की उम्मीद है।”

लिथियम-आयन बैटरियों का वर्तमान में उपभोक्ता उत्पादों में उपयोग किया जाता है, जिनमें तरल इलेक्ट्रोलाइट्स शामिल हैं, जो ज्वलनशील हैं और सुरक्षा मुद्दों को प्रस्तुत करते हैं।

पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों ने अपनी सीमा तक पहुंच गई है, डॉ. सू के अनुसार, एसएसबी तरल इलेक्ट्रोलाइट्स वाली बैटरियों की तुलना में दोगुनी से अधिक शक्ति उत्पन्न करने का वादा करती है, और वे ज्वलनशील नहीं होने के कारण सुरक्षित भी हैं।

हालांकि, ठोस सामग्रियों के माध्यम से आयनों को स्थानांतरित करना मुश्किल है, जो ठोस अवस्था बैटरी विकास में एक चुनौती प्रस्तुत करता है।

इसलिए, शोधकर्ताओं ने दो आशाजनक ठोस अवस्था इलेक्ट्रोलाइट (एसएसई) यौगिकों के प्रदर्शन का अध्ययन किया।

शोधकर्ताओं ने तब एक सिद्धांत का प्रस्ताव दिया कि क्यों मिश्रण आयनिक गतिविधि को बढ़ाता है। “इंटरफेस आयन परिवहन के लिए विशिष्ट चैनल बनाता है,” डॉ. सू ने कहा।

आगे बढ़ने पर, शोधकर्ता इंटरफेस की संरचना और रचना के परिणामस्वरूप बढ़ी हुई आयनिक चालकता का अध्ययन जारी रखेंगे।

एसएसबी में डेंड्राइट समस्या का समाधान

उच्च ऊर्जा घनत्व वाली बैटरियों की आवश्यकता ने शोधकर्ताओं को डेंड्राइट समस्या पर काम करने के लिए प्रेरित किया है।

मूल रूप से, यह माना जाता था कि डेंड्राइट ठोस इलेक्ट्रोलाइट में प्रवेश नहीं कर सकते हैं। लेकिन, अन्य बैटरी वास्तुकला की तरह, वे ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए भी एक समस्या हैं।

चीन के कई संस्थानों के इंजीनियरों और सामग्री वैज्ञानिकों की एक टीम ने खोजा² कि लिथियम एसएसबी में डेंड्राइट विकास का अध्ययन करने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और फेज-फील्ड सिमुलेशन का उपयोग किया गया था।

उन्होंने पाया कि चार्जिंग और रिचार्जिंग के दौरान, लिथियम के निरंतर फूलने और सिकुड़ने से एनोड में धातु थकान होती है, जो डेंड्राइट विकास को बढ़ावा देती है।

विशेष रूप से, एनोड पर स्थिर विकास के लिए भी विस्तार और सिकुड़ने से माइक्रोवॉइड्स और दरारें विकसित होती हैं, जो डेंड्राइट विकास और अपक्षय का कारण बनती हैं।

एक डेंड्राइट एक पेड़ जैसी संरचना है जो एनोड की सतह पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण बनती है।

बैटरी के चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के दौरान, लिथियम आयनों को एनोड की सतह पर जमा किया जाता है और हटा दिया जाता है।

हालांकि, लिथियम आयनों का एनोड की सतह पर असमान जमाव, लिथियम आयनों को आकर्षित करने वाले साइटों का उत्पादन करता है, जो एक श्रृंखला प्रतिक्रिया को बढ़ावा देता है।

लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी में सामग्री स्टाफ वैज्ञानिक हेग्योम किम ने एक समाधान³ प्रकाशित किया है।

उनके अध्ययन में विवरण दिया गया है कि टिन-कार्बन की एक डुअल बफर लेयर का उपयोग करके लिथियम, एनोड-मुक्त ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों में डेंड्राइट गठन को रोका जा सकता है।

इस बैटरी वास्तुकला में, एनोड का निर्माण पहले नहीं किया जाता है, बल्कि यह चार्ज चक्र के दौरान करंट कलेक्टर पर लिथियम आयनों द्वारा形成 किया जाता है।

किम की टीम ने पाया कि टिन एक लिथोफिलिक परत के रूप में कार्य करता है, जो लिथियम आयनों को एक समान तरीके से जमा करने में मदद करता है।

कार्बन परत लिथोफोबिक है, जो लिथियम आयनों को पीछे की ओर जाने से रोकती है और डेंड्राइट को इलेक्ट्रोलाइट में प्रवेश करने से रोकती है।

किम ने कहा:

“यह नहीं है कि एक单 सामग्री के अंतर्निहित गुण क्या हैं। हम उन्हें कैसे मिलाते हैं, यह बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इससे बाधा परत के गुणों में काफी अंतर आ सकता है।”

टीम अब बेहतर प्रदर्शन वाली नई बफर परतों पर काम कर रही है, लंबे चक्रों पर परीक्षण कर रही है, और अधिक व्यावहारिक प्रणालियों पर आगे बढ़ रही है।

एसएसबी में खाली स्थान को हटाना

एक और प्रमुख सफलता एसएसबी को वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में लाने के लिए की गई थी जब शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि अनोड में धातुओं जैसे मैग्नीशियम की छोटी मात्रा को जोड़ने से बैटरी के प्रदर्शन में सुधार होता है।

ह्यूस्टन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने ऑपरेंडो स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके एसएसबी में होने वाली घटनाओं का अध्ययन किया।

उनकी खोज⁴ से पता चलता है कि समय के साथ, बैटरी के भीतर छोटे खाली स्थान बनते हैं जो बड़े अंतराल में विलीन हो जाते हैं, जिससे बैटरी विफल हो जाती है।

परीक्षणों से पता चला कि मैग्नीशियम जैसे तत्वों की छोटी मात्रा जोड़ने से इन खाली स्थानों को बंद किया जा सकता है और बैटरी को काम करने में मदद मिल सकती है।

मिसौरी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने 4डी स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके बैटरी की परमाणु संरचना का मूल्यांकन किया।

उन्होंने पाया कि जब ठोस इलेक्ट्रोलाइट कैथोड को छूता है, तो यह प्रतिक्रिया करता है और एक इंटरफेस लेयर बनाता है जो लिथियम आयनों और इलेक्ट्रॉनों को आसानी से बहने से रोकता है, जिससे बैटरी का प्रदर्शन सीमित हो जाता है।

शोध टीम अब यह परीक्षण करने की योजना बना रही है कि क्या वाष्प-दशा जमाव प्रक्रिया (ओएमएलडी) द्वारा बनाई गई पतली फिल्म सामग्री ठोस इलेक्ट्रोलाइट और कैथोड सामग्री के बीच एक सुरक्षात्मक कोटिंग प्रदान कर सकती है।

एसएसबी अनुसंधान और विकास में एआई का उपयोग

कृत्रिम बुद्धिमत्ता उद्योगों को बदल रही है, इसलिए यह समझ में आता है कि शोधकर्ता एसएसबी अनुसंधान और विकास में इसकी मदद ले रहे हैं, जो संसाधन-Gra और समय लेने वाले हैं।

एसएसबी का जटिल रासायनिक वातावरण प्रदर्शन की भविष्यवाणी को मुश्किल बनाता है और बड़े पैमाने पर औद्योगिकीकरण में देरी करता है।

सूचोव विश्वविद्यालय और नानजिंग विश्वविद्यालय, चीन के इंजीनियरों ने एक अध्ययन⁵ में बताया कि कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उपयोग करके सामग्री की खोज और प्रदर्शन की भविष्यवाणी की जा सकती है।

स्कोल्टेक और एआईआरआई संस्थान के शोधकर्ताओं ने न्यूरल नेटवर्क का लाभ उठाया और पाया कि वे ठोस इलेक्ट्रोलाइट और इसकी सुरक्षात्मक कोटिंग के लिए उपयुक्त सामग्री की पहचान करने में सक्षम हैं।

“हमने दिखाया कि ग्राफ न्यूरल नेटवर्क उच्च आयनिक गतिविधि वाले नए ठोस अवस्था बैटरी सामग्री की पहचान कर सकते हैं और यह पारंपरिक क्वांटम रसायन विज्ञान विधियों की तुलना में बहुत तेजी से हो सकता है,” लीड ऑथर आर्टेम डेम्बित्सकी ने कहा।

एसएसबी प्रौद्योगिकी में निवेश

जब ठोस अवस्था बैटरी प्रौद्योगिकी में निवेश करने वाली एक कंपनी की बात आती है, तोटोयोटा एक ठोस संभावना प्रदान करता है।

जापान स्थित ऑटोमेकर ने पैनासोनिक के साथ मिलकर एक संयुक्त उद्यम बनाया है, जिसे प्राइम प्लैनेट एनर्जी एंड सॉल्यूशंस कहा जाता है, जो सल्फाइड आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स पर केंद्रित है।

कंपनी अगले साल उत्पादन शुरू करने की योजना बना रही है, जिसमें 1,000 किमी की दूरी तय करने वाली बैटरी का लक्ष्य है, 10 मिनट की तेज चार्जिंग, और 2030 तक 9 जीएचव्ही की वार्षिक क्षमता हासिल करने का लक्ष्य है।

टोयोटा ने इडेमित्सु कोसान के साथ 2027-2028 तक सल्फाइड आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स का बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए भी साझेदारी की है।

टोयोटा मोटर कॉर्प (TM )

टोयोटा का ठोस अवस्था बैटरियों के साथ प्रयोग लगभग दो दशक पहले बैटरी अनुसंधान प्रभाग की स्थापना के साथ शुरू हुआ, जिसका उद्देश्य हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए अगली पीढ़ी की बैटरियों का विकास करना है।

टोयोटा मोटर्स के बाजार प्रदर्शन की बात करें, तो यह काफी मजबूत रहा है, जिसमें इसके शेयर वर्तमान में $183.60 पर कारोबार कर रहे हैं।

कंपनी के वित्तीय परिणामों के लिए, टोयोटा ने अपनी पहली तिमाही 2025 के लिए अपने परिणामों की घोषणा की, जिसमें इसका शुद्ध राजस्व 6.5% बढ़कर $314 बिलियन हो गया, जबकि इसका परिचालन लाभ 15% से अधिक घटकर $31.3 बिलियन हो गया।

निष्कर्ष: ठोस अवस्था बैटरियों का भविष्य

ठोस अवस्था बैटरियां लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में कई फायदे प्रदान करती हैं, जिनमें बेहतर सुरक्षा, ऊर्जा घनत्व और जीवनकाल शामिल हैं।

हालांकि, चुनौतियों जैसे कि इंटरफेसियल डिलामिनेशन और डेंड्राइट गठन को अभी भी दूर किया जाना बाकी है।

नवीनतम खोज जो दिखाती है कि कुछ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को मिलाने से एक “स्पेस चार्ज लेयर” बनती है, जो आयनिक गति में सुधार करती है, एक आशाजनक नई दिशा का प्रतिनिधित्व करती है।

इन सफलताओं के माध्यम से, साथ ही कंपनियों द्वारा निरंतर प्रयास, एसएसबी को अंततः वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में लाने के लिए तैयार किया जा सकता है।

ठोस अवस्था बैटरियों को वास्तविकता के एक कदम और नजदीक लाने वाले एक सफलता के बारे में जानने के लिए यहां क्लिक करें।

संदर्भित अध्ययन:

^{1. वांग, बी, लिमोन, एम.एस.आर., झоу, वाई., चो, के, अहमद, जेड., और सू, एल. (2025). 1 + 1 > 2 प्रभाव जो ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में स्पेस चार्ज द्वारा उत्पन्न होता है। एसीई एनर्जी लेटर्स, 10(3), 1255-1257।}

^{2. वांग, टी, चेन, बी, लियू, वाई., सोंग, जेड., वांग, जेड., चेन, वाई., यू, क्यू., वेन, जे, डाई, वाई., कांग, क्यू., पेई, एफ., शू, आर., और हुआंग, वाई. (2025). ठोस अवस्था बैटरियों में लिथियम धातु एनोड की थकान। विज्ञान, 388(6744), 311-316।}

^{3. अव्वारु, वी.एस., ओगुनफुनमी, टी, जेओंग, एस., डायलो, एम.एस., वाट, जे, स्कॉट, एम.सी, और किम, एच. (2025). टिन-कार्बन डुअल बफर लेयर द्वारा लिथियम डेंड्राइट विकास को दबाना। एसीएस नैनो, 19(18), 17347-17356।}

^{4. झाओ, एल., फेंग, एम., वू, सी., एट अल. ऑपरेंडो स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके लिथियम-ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस का विकास। नेचर कम्युनिकेशन, 16, 4283 (2025)।}

^{5. वांग, एस., लियू, जे, सोंग, एक्सी, एट अल. कृत्रिम बुद्धिमत्ता ठोस अवस्था बैटरियों के लिए सामग्री स्क्रीनिंग और प्रदर्शन मूल्यांकन को सशक्त बनाती है। नैनो-माइक्रो लेटर्स, 17, 287 (2025)।}