सॉलिड-स्टेट बैटरी

लिथियम आयन बैटरी या लिथियम पॉलीमर बैटरी में पाए जाने वाले तरल या बहुलक जेल विद्युत् अपघट्य के अतिरिक्त ठोस इलेक्ट्रोड और ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य का उपयोग करके ठोस-अवस्था बैटरी (विद्युत) प्रौद्योगिकी को तैनात करती है।

जबकि ठोस विद्युत् अपघट्य पहली बार 19वीं शताब्दी में खोजे गए थे, कई कमियों ने व्यापक अनुप्रयोग को रोका है। 20वीं सदी के अंत और 21वीं सदी की प्रारम्भ में विकास ने ठोस-अवस्था बैटरी प्रौद्योगिकियों में नवीन सिरे से रुचि उत्पन्न की है, विशेष रूप से विद्युतीय वाहन के संदर्भ में, 2010 से प्रारम्भ हुई। ठोस-अवस्था बैटरी तरल लिथियम-आयन बैटरी की कई समस्याओं के लिए संभावित हल प्रदान कर सकती हैं, जैसे कि ज्वलनशीलता, सीमित वोल्टता, अस्थिर ठोस-विद्युत् अपघट्य अंतरावस्था निर्माण, निकृष्ट चक्रण निष्पादन और सामर्थ्य।

ठोस-अवस्था बैटरियों में ठोस विद्युत् अपघट्य के रूप में उपयोग के लिए प्रस्तावित सामग्री में सिरेमिक (जैसे, ऑक्साइड, सल्फाइड, फॉस्फेट) और ठोस बहुलक सम्मिलित हैं। ठोस-अवस्था बैटरियों का उपयोग कृत्रिम कार्डियक पेसमेकर, रेडियो-आवृत्ति पहचान और पहनने योग्य प्रौद्योगिकी उपकरणों में किया गया है। वे उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ संभावित रूप से सुरक्षित हैं, परन्तु बहुत अधिक लागत पर। व्यापक रूप से अपनाने की आक्षेपों में ऊर्जा और शक्ति घनत्व, स्थायित्व, भौतिक लागत, संवेदनशीलता और स्थिरता सम्मिलित हैं।

इतिहास
1831 और 1834 के बीच, माइकल फैराडे ने ठोस विद्युत् अपघट्य सिल्वर सल्फाइड और लेड (IIसीसा (द्वितीय) फ्लोराइड की खोज की, जिसने ठोस-अवस्था आयनिक्स की नींव रखी।

1950 के दशक के अंत तक, कई चांदी-संवाहक विद्युत रासायनिक प्रणालियों ने ठोस विद्युत् अपघट्य को नियोजित किया, परन्तु ऐसी प्रणालियों में कम ऊर्जा घनत्व और सेल वोल्टता और उच्च आंतरिक प्रतिरोध सहित अवांछनीय गुण थे। 1967 में, आयनों के एक व्यापक वर्ग (Li+, Na+, K+, Ag+, और Rb+) के लिए तीव्र आयनिक चालन β - एल्यूमिना की खोज ने ऊर्जा घनत्व में वृद्धि के साथ नवीन ठोस-अवस्था वाले विद्युत रासायनिक उपकरणों के विकास के लिए उत्तेजना प्रारम्भ कर दी। सबसे तुरंत, अमेरिका में फोर्ड मोटर कंपनी और जापान में एनजीके में पिघला हुआ सोडियम / β - एल्यूमिना / सल्फर सेल विकसित किए गए। ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य के लिए यह उत्साह दोनों कार्बनिक, अर्थात पॉली (एथिलीन) ऑक्साइड (पीईओ), और अकार्बनिक जैसे नासिकों में नवीन प्रणालियों की खोज में प्रकट हुआ। यद्यपि, इनमें से कई प्रणालियों को सामान्यतः ऊंचे तापमान पर संचालन की आवश्यकता होती है, और / या उत्पादन करने के लिए कममानित थे, मात्र सीमित व्यावसायिक तैनाती को सक्षम करने के लिए।  ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला , लिथियम फॉस्फोरस ऑक्सीनाइट्राइड (LiPON) द्वारा विकसित ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य का एक नया वर्ग 1990 के दशक में उभरा। जबकि LiPON का उपयोग पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी बनाने के लिए सफलतापूर्वक किया गया था। पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी, इस तरह के आवेदन पतली फिल्म विद्युत् अपघट्य के जमाव से जुड़ी लागत के साथ-साथ छोटी क्षमताओं के कारण सीमित थे, जिन्हें पतली फिल्म प्रारूप का उपयोग करके एक्सेस किया जा सकता था। 2011 में, कामया एट अल का ऐतिहासिक कार्य। पहले ठोस-विद्युत् अपघट्य, ली का निष्पादन किया1.5अल0.5जीई1.5(बाद4)3 (एलएजीपी), कमरे के तापमान पर तरल विद्युत् अपघट्य समकक्षों से अधिक मात्रा में आयनिक चालकता प्राप्त करने में सक्षम है। इसके साथ, बल्क ठोस-आयन कंडक्टर आखिरकार लिथियम-आयन समकक्षों के साथ तकनीकी रूप से प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं, जिससे ठोस-अवस्था रिसर्च के आधुनिक युग की प्रारम्भ हो सकती है।

2000 का वाणिज्यिक अनुसंधान एवं विकास
नवीन सहस्राब्दी में प्रौद्योगिकी उन्नत होने के कारण, ऑटोमोटिव और परिवहन उद्योगों में शोधकर्ताओं और कंपनियों ने ठोस-अवस्था बैटरी प्रौद्योगिकियों में पुनरोद्धार की रुचि का अनुभव किया। 2011 में, Bolloré ने अपनी BlueCar मॉडल कारों का एक बेड़ा लॉन्च किया, पहले कारशेयरिंग सेवा Autolib' के सहयोग से, और बाद में खुदरा ग्राहकों के लिए जारी किया। कार का उद्देश्य एप्लिकेशन में कंपनी की विद्युत से चलने वाली कोशिकाओं की विविधता को प्रदर्शित करना था, और इसमें 30 kWh लिथियम मेटल पॉलीमर (LMP) बैटरी को पॉलीमेरिक विद्युत् अपघट्य के साथ चित्रित किया गया था, जिसे को-बहुलक (पॉलीऑक्सीएथिलीन) में लिथियम नमक को घोलकर बनाया गया था।

2012 में, टोयोटा ने जल्द ही सूट का पालन किया और इलेक्ट्रिक वाहन बाजार में प्रतिस्पर्धी बने रहने के लिए मोटर वाहन उद्योग में अनुप्रयोगों के लिए ठोस-अवस्था बैटरियों में प्रायोगिक अनुसंधान करना प्रारम्भ किया। उसी समय, वोक्सवैगन ने प्रौद्योगिकी में विशेषज्ञता रखने वाली छोटी प्रौद्योगिकी कंपनियों के साथ साझेदारी प्रारम्भ की।

तकनीकी सफलताओं की एक श्रृंखला प्रारम्भ हुई। 2013 में, कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी के विकास की घोषणा की, जिसमें लौह- गंधक रसायन शास्त्र पर आधारित एक ठोस समग्र कैथोड था, जिसने पहले से मौजूद एसएसबी की तुलना में उच्च ऊर्जा क्षमता का वादा किया था। 2017 में, लिथियम-आयन बैटरी के सह-आविष्कारक जॉन गुडइनफ ने एक काँच विद्युत् अपघट्य और लिथियम, सोडियम या पोटैशियम से युक्त एक क्षार-धातु एनोड का उपयोग करके एक ठोस-अवस्था कांच की बैटरी का अनावरण किया। उस वर्ष बाद में, टोयोटा ने PANASONIC के साथ अपनी दशकों पुरानी साझेदारी को गहरा करने की घोषणा की, जिसमें ठोस-अवस्था बैटरी पर सहयोग सम्मिलित है। अपने प्रारंभिक गहन अनुसंधान और अन्य उद्योग के नेताओं के साथ समन्वित सहयोग के कारण, टोयोटा के पास एसएसबी से संबंधित सबसे अधिक पेटेंट हैं। यद्यपि, अन्य कार निर्माता स्वतंत्र रूप से ठोस-अवस्था बैटरी तकनीक विकसित कर रहे हैं और तेजी से एक बढ़ती हुई सूची में सम्मिलित हो गए हैं जिसमें बीएमडब्ल्यू, होंडा, हुंडई मोटर कंपनी और निसान। स्पार्क प्लग निर्माता एनजीके जैसी अन्य ऑटोमोटिव-संबंधित कंपनियों ने पारंपरिक जीवाश्म-ईंधन प्रतिमान के कथित अप्रचलन को देखते हुए सिरेमिक-आधारित ठोस अवस्था बैटरी की बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए अपनी व्यावसायिक विशेषज्ञता और मॉडल को फिर से तैयार किया है। प्रमुख घटनाक्रम 2018 में सामने आते रहे, जब ठोस पावर, यूनिवर्सिटी ऑफ कोलोराडो बोल्डर रिसर्च टीम से अलग हो गई, एक छोटी विनिर्माण लाइन स्थापित करने के लिए SAMSUNG और हुंडई मोटर कंपनी से 20 मिलियन डॉलर का वित्त पोषण प्राप्त किया, जो इसके सभी ठोस-अवस्था, रिचार्जेबल लिथियम-मेटल बैटरी प्रोटोटाइप की प्रतियां तैयार कर सकता है, प्रति वर्ष अनुमानित 10 किलोवाट घंटे की क्षमता के साथ। क्वांटमस्केप, एक अन्य ठोस-अवस्था बैटरी स्टार्टअप जो एक कॉलेजिएट रिसर्च ग्रुप (इस मामले में, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय ) से बाहर निकला, ने उसी वर्ष ध्यान आकर्षित किया, जब वोक्सवैगन ने टीम के शोध में $100 मिलियन के निवेश की घोषणा की, जो सबसे बड़ा हितधारक बन गया, जिसमें निवेशक भी सम्मिलित थे। बिल गेट्स। ठोस-अवस्था बैटरियों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक संयुक्त उत्पादन परियोजना स्थापित करने के लक्ष्य के साथ, वोक्सवैगन ने क्वांटमस्केप को जून 2020 में अतिरिक्त $200 मिलियन का अनुदान दिया, और क्वांटमस्केप ने 29 नवंबर, 2020 को न्यूयॉर्क स्टॉक एक्सचेंज में प्रारंभिक सार्वजनिक पेशकश की। परियोजना के लिए अतिरिक्त इक्विटी पूंजी जुटाने के लिए केंसिंग्टन कैपिटल एक्विजिशन के साथ विलय का हिस्सा। क्वांटमस्केप ने बड़े पैमाने पर उत्पादन 2024 की दूसरी छमाही में प्रारम्भ करने के लिए निर्धारित किया है।

किंग ताओ ने 2018 में "विशेष उपकरण और उच्च अंत डिजिटल उत्पादों" के लिए एसएसबी की आपूर्ति करने के प्रारंभिक इरादे के साथ, ठोस-अवस्था बैटरी की पहली चीनी उत्पादन लाइन भी प्रारम्भ की; यद्यपि, कंपनी ने ऑटोमोटिव स्पेस में संभावित विस्तार के इरादे से कई कार निर्माताओं से बात की है। जुलाई 2021 में, मुराटा मैन्युफैक्चरिंग ने घोषणा की कि वह आने वाले महीनों में ऑल-ठोस-अवस्था बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रारम्भ कर देगी, जिसका उद्देश्य उन्हें ईयरफ़ोन और अन्य पहनने योग्य उपकरणों के निर्माताओं को आपूर्ति करना है। बैटरी की क्षमता 3.8V पर 25mAh तक है, इसे ईयरबड्स जैसे छोटे मोबाइल उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाता है, परन्तु इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए नहीं। इलेक्ट्रिक वाहनों में प्रयुक्त लिथियम-आयन सेल सामान्यतः समान वोल्टता पर 2,000 से 5,000 एमएएच की पेशकश करते हैं: समान शक्ति प्रदान करने के लिए एक ईवी को मुराटा कोशिकाओं की तुलना में कम से कम 100 गुना अधिक की आवश्यकता होगी।

फोर्ड मोटर कंपनी और बीएमडब्ल्यू ने स्टार्टअप ठोस शक्ति को 130 मिलियन डॉलर से वित्त पोषित किया, और 2022 तक कंपनी ने कुल 540 मिलियन डॉलर जुटाए हैं। सितंबर 2021 में, टोयोटा ने लागत और कम विद्युत की आवश्यकताओं के कारण 2025 में हाइब्रिड मॉडल के साथ प्रारम्भ होने वाले कुछ भविष्य के कार मॉडलों में एक ठोस-अवस्था बैटरी का उपयोग करने की अपनी योजना की घोषणा की। 2022 की प्रारम्भ में, स्विस क्लीन बैटरी (SCB) ने घोषणा की कि वह 2024 तक फ्रौएनफेल्ड में स्थायी ठोस-अवस्था बैटरी के लिए दुनिया की पहली फैक्ट्री खोलने की योजना बना रही है, जिसमें 1.2 GWH का प्रारंभिक उत्पादन होगा, जिसे 7.6 GWh तक बढ़ाने की योजना है। जनवरी 2022 में, प्रोलोगियम टेक्नोलॉजी ने मर्सिडीज-बेंज ग्रुप | मर्सिडीज-बेंज, मर्सिडीज-बेंज समूह की सहायक कंपनी के साथ एक तकनीकी सहयोग समझौते पर हस्ताक्षर किए। मर्सिडीज-बेंज द्वारा निवेश किए गए पैसे का उपयोग ठोस-अवस्था बैटरी के विकास और उत्पादन तैयारियों के लिए किया जाएगा। फरवरी 2022 में, एल्पाइन 4 होल्डिंग्स की सहायक कंपनियों Elecjet और Vayu Aerospace ने अपने ड्रोन में ठोस अवस्था बैटरियों को सफलतापूर्वक स्थापित किया, जिससे बाद में एक सरकारी ठेकेदार को बिक्री हुई। जुलाई 2022 में, Svolt ने 350-400 Wh/kg ऊर्जा घनत्व वाली 20 Ah इलेक्ट्रिक बैटरी के उत्पादन की घोषणा की।

सामग्री
ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य (एसएसई) उम्मीदवार सामग्री में लिथियम ऑर्थोसिलिकेट जैसे सिरेमिक सम्मिलित हैं, ग्लास बैटरी, सल्फाइड और रुबिडीयाम सिल्वर आयोडाइड|RbAg4I5. मुख्यधारा के ऑक्साइड ठोस विद्युत् अपघट्य में ली सम्मिलित है1.5अल0.5जीई1.5(बाद4)3 (एलएजीपी), ली1.4अल0.4का1.6(बाद4)3 (LATP), पेरोसाइट-प्रकार ली3x2/3-xTiO3 (एलएलटीओ), और गार्नेट-टाइप ली6.43Zr1.4का सामना करना पड़0.6O12 (LLZO) धात्विक ली के साथ। चार एसएसई की थर्मल स्थिरता बनाम ली एलएजीपी <एलएटीपी <एलएलटीओ <एलएलजेडओ के क्रम में थी। क्लोराइड सुपरियोनिक कंडक्टरों को एक अन्य आशाजनक ठोस विद्युत् अपघट्य के रूप में प्रस्तावित किया गया है। वे आयनिक प्रवाहकीय और साथ ही विकृत सल्फाइड हैं, परन्तु साथ ही सल्फाइड की निकृष्ट ऑक्सीकरण स्थिरता से परेशान नहीं हैं। इसके अलावा, उनकी लागत ऑक्साइड और सल्फाइड एसएसई से कम मानी जाती है। वर्तमान क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य सिस्टम को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: ली3एमसीएल6 और ली2M2/3क्लोरीन4. एम तत्वों में वाई, टीबी-लू, एससी और इन सम्मिलित हैं। कैथोड लिथियम आधारित हैं। वेरिएंट में लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड | LiCoO सम्मिलित हैं2, लिनी1/3सह1/3एम.एन.1/3O2, लिमन2O4, और लिनी0.8सह0.15अल0.05O2. एनोड अधिक भिन्न होते हैं और विद्युत् अपघट्य के प्रकार से प्रभावित होते हैं। उदाहरणों में सम्मिलित हैं, ठोस अवस्था सिलिकॉन बैटरी, जीईxऔर1−x, एसएनओ-बी2O3, एसएनवीनस-पी2S5, वह2फेज़2, एफईएस, एनआईपी2, और ली2सीस3. एक आशाजनक कैथोड सामग्री लिथियम-एस बैटरी | लिथियम-एस है, जो (एक ठोस लिथियम एनोड/ली के हिस्से के रूप में2S सेल) की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 1670 mAh g है-1, LiCoO के प्रभावी मूल्य से दस गुना बड़ा2. सल्फर तरल विद्युत् अपघट्य अनुप्रयोगों में एक अनुपयुक्त कैथोड बनाता है क्योंकि यह अधिकांश तरल विद्युत् अपघट्य में घुलनशील होता है, नाटकीय रूप से बैटरी के जीवनकाल को कम करता है। सल्फर का अध्ययन ठोस अवस्था अनुप्रयोगों में किया जाता है। हाल ही में, एक सिरेमिक कपड़ा विकसित किया गया था जिसने लिथियम-एस ठोस अवस्था बैटरी में वादा दिखाया था। इस टेक्सटाइल ने सल्फर लोडिंग को संभालने के दौरान आयन ट्रांसमिशन की सुविधा प्रदान की, यद्यपि यह अनुमानित ऊर्जा घनत्व तक नहीं पहुंच पाया। 500-माइक्रोन-मोटी विद्युत् अपघट्य सपोर्ट और विद्युत् अपघट्य क्षेत्र के 63% उपयोग का परिणाम 71Wh/kg था। जबकि अनुमानित ऊर्जा घनत्व 500Wh/kg था। लिथियम-एयर बैटरी | लिथियम-ओ2उच्च सैद्धांतिक क्षमता भी है। इन उपकरणों के साथ मुख्य मुद्दा यह है कि एनोड को परिवेशी वातावरण से सील किया जाना चाहिए, जबकि कैथोड इसके संपर्क में होना चाहिए।

ए ली/लीफियो4|लीफिपो4बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए एक ठोस अवस्था अनुप्रयोग के रूप में वादा दिखाती है। 2010 के एक अध्ययन ने इस सामग्री को ईवी के लिए रिचार्जेबल बैटरी के सुरक्षित विकल्प के रूप में प्रस्तुत किया जो यूएसएबीसी-डीओई लक्ष्यों को पार कर गया। एक शुद्ध सिलिकॉन μSi||SSE||NCM811 एनोड के साथ एक सेल डैरेन एचएस टैन एट अल द्वारा इकट्ठा किया गया था। μSi एनोड (99.9 wt% की शुद्धता), ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य (SSE) और लिथियम निकल कोबाल्ट मैंगनीज ऑक्साइड (NCM811) कैथोड का उपयोग करना। इस तरह की ठोस अवस्था बैटरी ने 5 mA सेमी तक उच्च वर्तमान घनत्व प्रदर्शित किया−2, कार्य तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला (-20 डिग्री सेल्सियस और 80 डिग्री सेल्सियस), और 11 एमएएच सेमी तक की क्षेत्रीय क्षमता (एनोड के लिए)-2 (2890 एमएएच/जी)। वहीं, 500 चक्रों के बाद 5 mA सेमी-2, बैटरी अभी भी 80% क्षमता प्रतिधारण प्रदान करती हैं, जो अब तक रिपोर्ट की गई सभी ठोस-अवस्था वाली बैटरी का μSi का सर्वश्रेष्ठ निष्पादन है। क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य सैद्धांतिक रूप से उच्च आयनिक चालकता और बेहतर फॉर्मैबिलिटी वाले क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य के कारण पारंपरिक ऑक्साइड ठोस विद्युत् अपघट्य पर भी वादा दिखाते हैं। इसके अलावा क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य की असाधारण उच्च ऑक्सीकरण स्थिरता और उच्च लचीलापन इसके निष्पादन में इजाफा करता है। विशेष रूप से ठोस विद्युत् अपघट्य के लिथियम मिश्रित-धातु क्लोराइड परिवार, ली2मेंxअनुसूचित जाति0.666-xक्लोरीन4 झोउ एट ताल द्वारा विकसित, उच्च आयनिक चालकता (2.0 mS सेमी−1) रचना की एक विस्तृत श्रृंखला पर। यह क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य के कारण नंगे कैथोड सक्रिय सामग्री के साथ संयोजन के रूप में उपयोग करने में सक्षम होने के कारण लेपित कैथोड सक्रिय सामग्री और इसकी कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता के विपरीत है। कम, परन्तु अभी भी प्रभावशाली, आयनिक चालकता के साथ वैकल्पिक सस्ता क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य रचनाएँ ली के साथ पाई जा सकती हैं2ZrCl6 ठोस विद्युत् अपघट्य। यह विशेष रूप से क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य एक उच्च कमरे के तापमान आयनिक चालकता (0.81 mS सेमी-1), विरूपता, और उच्च आर्द्रता सहनशीलता है।

उपयोग
ठोस-अवस्था बैटरियां कृत्रिम कार्डियक पेसमेकर, रेडियो-आवृत्ति आइडेंटिफिकेशन, पहनने योग्य तकनीक और इलेक्ट्रिक वाहनों में संभावित रूप से उपयोगी हैं।

इलेक्ट्रिक वाहन
हाइब्रिड और प्लग-इन इलेक्ट्रिक कारें विभिन्न प्रकार की बैटरी तकनीकों का उपयोग करती हैं, जिनमें लिथियम-आयन, निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी|निकल-मेटल हाइड्राइड (NiMH), लेड-एसिड बैटरी|लीड-एसिड और इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कैपेसिटर (या अल्ट्राकैपेसिटर), लिथियम-आयन बाजार पर हावी है। अगस्त 2020 में, टोयोटा ने अपने प्रोटोटाइप वाहन, टोयोटा कॉन्सेप्ट व्हीकल्स (2010-2019) #LQ कॉन्सेप्ट (2019) का रोड टेस्टिंग प्रारम्भ किया, जो ठोस-अवस्था बैटरी से लैस है। सितंबर 2021 में, टोयोटा ने बैटरी विकास और आपूर्ति पर अपनी रणनीति का अनावरण किया, जिसमें इसकी विशेषताओं का उपयोग करने के लिए सबसे पहले उनके हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में ठोस-अवस्था बैटरी को अपनाया जाना है। और, होंडा ने स्प्रिंग 2024 में ऑल-ठोस-अवस्था बैटरी के उत्पादन के लिए निष्पादन लाइन का संचालन प्रारम्भ करने के लिए अपना योजना कार्यक्रम निर्धारित किया है।

पहनने योग्य
नवीन पहनने योग्य उपकरणों की प्राप्ति में उच्च ऊर्जा घनत्व और कठोर वातावरण में भी उच्च निष्पादन बनाए रखने की अपेक्षा की जाती है जो पहले से कहीं अधिक छोटे और विश्वसनीय हैं।

अंतरिक्ष में उपकरण
मार्च 2021 में, औद्योगिक निर्माता हिताची जोसेन चाइल्ड पोला ग्राउंड तापमान ने एक ठोस-अवस्था बैटरी की घोषणा की, जिसका दावा है कि यह उद्योग में उच्चतम क्षमताओं में से एक है और इसमें व्यापक ऑपरेटिंग तापमान रेंज है, जो अंतरिक्ष जैसे कठोर वातावरण के लिए संभावित रूप से उपयुक्त है। फरवरी 2022 में एक परीक्षण मिशन प्रारम्भ किया गया था, और अगस्त में, JAXA | जापान एयरोस्पेस एक्सप्लोरेशन एजेंसी (JAXA) ने घोषणा की ठोस-अवस्था बैटरियों ने अंतरिक्ष में ठीक से संचालित किया था, किबो (आईएसएस मॉड्यूल) में कैमरा उपकरण को शक्ति प्रदान की थी। अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर जापानी प्रयोग मॉड्यूल किबो।

ड्रोन
हल्के वजन और पारंपरिक लिथियम आयन बैटरी की तुलना में अधिक शक्तिशाली होने के कारण यह उचित है कि ड्रोन को ठोस अवस्था बैटरी से लाभ होगा। वायु एयरोस्पेस, एक ड्रोन निर्माता और डिजाइनर, ने अपने G1 लंबी उड़ान ड्रोन में सम्मिलित करने के बाद उड़ान के समय में वृद्धि देखी।

लागत
थिन-फिल्म ठोस-अवस्था बैटरियां बनाना महंगा है और विनिर्माण प्रक्रियाओं को नियोजित करना मुश्किल माना जाता है, जिसके लिए कममानित निर्वात जमाव उपकरण की आवश्यकता होती है। नतीजतन, उपभोक्ता-आधारित अनुप्रयोगों में पतलिथियम-फिल्म ठोस-अवस्था बैटरी की लागत निषेधात्मक हो जाती है। 2012 में यह अनुमान लगाया गया था कि, तत्कालीन तकनीक के आधार पर, 20 एम्पीयर घंटे की ठोस-अवस्था वाली बैटरी सेल की कीमत यूनाइटेड अवस्था्स डॉलर|US$100,000 होगी, और एक उच्च-श्रेणी की इलेक्ट्रिक कार के लिए 800 और 1,000 के बीच ऐसी कोशिकाओं की आवश्यकता होगी। इसी तरह, लागत ने स्मार्टफोन जैसे अन्य क्षेत्रों में थिन फिल्म ठोस-अवस्था बैटरियों को अपनाने में बाधा डाली है।

तापमान और दबाव संवेदनशीलता
कम तापमान संचालन चुनौतीपूर्ण हो सकता है। ठोस-अवस्था बैटरियों का ऐतिहासिक रूप से निकृष्ट निष्पादन रहा है।

सिरेमिक विद्युत् अपघट्य वाली ठोस-अवस्था बैटरी को इलेक्ट्रोड के साथ संपर्क बनाए रखने के लिए उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। सिरेमिक विभाजक वाली ठोस-अवस्था बैटरियां यांत्रिक तनाव से टूट सकती हैं।

नवंबर 2022 में, जापानी अनुसंधान समूह, जिसमें क्योटो विश्वविद्यालय, टोटोरी विश्वविद्यालय और सुमितोमो केमिकल सम्मिलित थे, ने घोषणा की कि वे विद्युत् अपघट्य के लिए कोपॉलीमराइज़्ड नवीन सामग्री का उपयोग करके 230Wh/kg क्षमता के साथ दबाव लागू किए बिना ठोस-अवस्था बैटरियों को स्थिर रूप से संचालित करने में कामयाब रहे हैं।

इंटरफेसियल प्रतिरोध
कैथोड और ठोस विद्युत् अपघट्य के बीच उच्च इंटरफेशियल प्रतिरोध सभी ठोस-अवस्था बैटरियों के लिए लंबे समय से चली आ रही समस्या रही है।

इंटरफेशियल अस्थिरता
इलेक्ट्रोड-विद्युत् अपघट्य की इंटरफेशियल अस्थिरता हमेशा ठोस अवस्था वाली बैटरियों में एक गंभीर समस्या रही है। इलेक्ट्रोड के साथ ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य संपर्कों के बाद, इंटरफ़ेस पर रासायनिक और / या इलेक्ट्रोकेमिकल साइड रिएक्शन सामान्यतः एक निष्क्रिय इंटरफ़ेस उत्पन्न करते हैं, जो ली के प्रसार को बाधित करता है+ इलेक्ट्रोड-एसएसई इंटरफ़ेस पर। हाई-वोल्टता साइकलिंग पर, कुछ एसएसई ऑक्सीडेटिव डिग्रेडेशन से गुजर सकते हैं।

डेन्ड्राइट
ठोस-अवस्था बैटरियों में ठोस लिथियम (ली) मेटल एनोड लिथियम-आयन बैटरी में प्रतिस्थापन के उम्मीदवार हैं। उच्च ऊर्जा घनत्व, सुरक्षा और तेजी से रिचार्जिंग समय के लिए लिथियम-आयन बैटरी। इस तरह के एनोड ली डेन्ड्राइट (क्रिस्टल), गैर-समान धातु के विकास के निर्माण और वृद्धि से पीड़ित होते हैं जो विद्युत शार्ट सर्किट के लिए विद्युत् अपघट्य लीड में प्रवेश करते हैं। इस शॉर्टिंग से ऊर्जा का निर्वहन, ओवरहीटिंग (विद्युत), और कभी-कभी बेलगाम उष्म वायु प्रवाह के कारण आग या विस्फोट होता है। ली डेन्ड्राइट कूलॉमिक दक्षता को कम करते हैं। डेन्ड्राइट वृद्धि के सटीक तंत्र अनुसंधान का विषय बने हुए हैं। ठोस विद्युत् अपघट्य में धातु डेन्ड्राइट वृद्धि का अध्ययन पिघले हुए सोडियम / सोडियम - β - एल्यूमिना / सल्फर कोशिकाओं के ऊंचे तापमान पर शोध के साथ प्रारम्भ हुआ। इन प्रणालियों में, कभी-कभी सोडियम / ठोस विद्युत् अपघट्य इंटरफ़ेस पर चढ़ाना-प्रेरित दबाव की उपस्थिति के कारण माइक्रो-दरार विस्तार के परिणामस्वरूप डेन्ड्राइट बढ़ते हैं। यद्यपि, ठोस विद्युत् अपघट्य के रासायनिक क्षरण के कारण डेन्ड्राइट वृद्धि भी हो सकती है। ली धातु के लिए स्थिर लिथियम-आयन ठोस विद्युत् अपघट्य में, डेन्ड्राइट मुख्य रूप से इलेक्ट्रोड / ठोस विद्युत् अपघट्य इंटरफ़ेस पर दबाव के निर्माण के कारण फैलते हैं, जिससे दरार का विस्तार होता है। इस बीच, ठोस विद्युत् अपघट्य के लिए जो उनके संबंधित धातु के खिलाफ रासायनिक रूप से अस्थिर होते हैं, इंटरफेज विकास और अंततः क्रैकिंग अक्सर डेन्ड्राइट्स को बनने से रोकता है। उच्च तापमान पर कोशिकाओं को संचालित करके ठोस-अवस्था लिथियम-आयन कोशिकाओं में डेन्ड्राइट वृद्धि को कम किया जा सकता है, या कठोर विद्युत् अपघट्य को फ्रैक्चर करने के लिए अवशिष्ट तनाव का उपयोग करके, जिससे डेन्ड्राइट्स विक्षेपित होते हैं और डेन्ड्राइट प्रेरित शॉर्ट-सर्किटिंग में देरी होती है। ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य और लिथियम मेटल एनोड के बीच एल्युमिनियम युक्त इलेक्ट्रॉनिक रेक्टिफाइंग इंटरफेज भी डेन्ड्राइट ग्रोथ को रोकने में कारगर साबित हुए हैं।

यांत्रिक विफलता
मेजबान संरचनाओं से ली आयन | लिथियम-आयन को जोड़ने और हटाने के कारण बैटरी चार्जर के दौरान एनोड और कैथोड में मात्रा परिवर्तन के माध्यम से ठोस-अवस्था बैटरी में एक सामान्य विफलता तंत्र सरंध्रता है।

कैथोड
कैथोड में सामान्यतः आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) के साथ सहायता करने के लिए SSE कणों के साथ मिश्रित सक्रिय कैथोड कण होते हैं। जैसे ही बैटरी चार्ज/डिस्चार्ज होती है, कैथोड के कण सामान्यतः कुछ प्रतिशत के क्रम में वॉल्यूम में बदल जाते हैं। यह वॉल्यूम परिवर्तन इंटरपार्टिकल पोरसिटी के निर्माण की ओर जाता है जो कैथोड और एसएसई कणों के बीच संपर्क प्रतिरोध को निकृष्ट करता है, जिसके परिणामस्वरूप आयन परिवहन में प्रतिबंध के कारण बैटरी की क्षमता का महत्वपूर्ण नुकसान होता है। इस मुद्दे का एक प्रस्तावित हल कैथोड कणों में आयतन परिवर्तन के असमदिग्वर्ती होने की दशा का लाभ उठाना है। कई कैथोड सामग्री मात्र कुछ क्रिस्टलोग्राफी के साथ मात्रा में परिवर्तन का अनुभव करती हैं, यदि द्वितीयक कैथोड कणों को क्रिस्टलोग्राफिक दिशा में उगाया जाता है जो चार्ज/डिस्चार्ज के साथ बहुत अधिक विस्तार नहीं करता है, तो कणों की मात्रा में परिवर्तन को कम किया जा सकता है। एक अन्य प्रस्तावित हल विभिन्न कैथोड सामग्रियों को मिलाना है, जिनमें उचित अनुपात में विपरीत विस्तार की प्रवृत्ति होती है, जैसे कि कैथोड का शुद्ध आयतन परिवर्तन शून्य होता है। उदाहरण के लिए, लीकोओ2 (एलसीओ) और लिनी0.9एम.एन.0.05सह0.05O2 (एनवीनमसी) लिथियम-आयन बैटरी के लिए दो प्रसिद्ध लिथियम-आयन बैटरी हैं। डिस्चार्ज होने पर एलसीओ को वॉल्यूम विस्तार से गुजरना दिखाया गया है जबकि एनवीनमसी को डिस्चार्ज होने पर वॉल्यूम संकुचन से गुजरना दिखाया गया है। इस प्रकार, सही अनुपात में एलसीओ और एनवीनमसी का एक संयुक्त कैथोड निर्वहन के तहत न्यूनतम मात्रा में परिवर्तन से गुजर सकता है क्योंकि एलसीओ के विस्तार से एनवीनमसी के संकुचन की भरपाई हो जाती है।

एनोड
आदर्श रूप से एक ठोस-अवस्था बैटरी अपनी उच्च ऊर्जा क्षमता के कारण शुद्ध लिथियम एनोड का उपयोग करेगी। यद्यपि, चार्ज के दौरान लिथियम की मात्रा लगभग 5 माइक्रोमीटर प्रति 1 एमएएच/सेमी पर बढ़ जाती हैप्लेटेड ली का 2। झरझरा माइक्रोस्ट्रक्चर वाले विद्युत् अपघट्य के लिए, यह विस्तार दबाव में वृद्धि की ओर जाता है जिससे विद्युत् अपघट्य छिद्रों और सेल के शॉर्ट सर्किट के माध्यम से ली धातु का रेंगना हो सकता है। लिथियम धातु में 453K का अपेक्षाकृत कम गलनांक और 50 kJ/mol के स्व-प्रसार के लिए कम सक्रियण ऊर्जा होती है, जो कमरे के तापमान पर महत्वपूर्ण रूप से रेंगने की इसकी उच्च प्रवृत्ति का संकेत देती है। यह दिखाया गया है कि कमरे के तापमान पर लिथियम पावर-लॉ क्रीप से गुजरता है जहां तापमान गलनांक के सापेक्ष इतना अधिक होता है कि बाधाओं से बचने के लिए धातु में अव्यवस्था अपने सरकना विमान से बाहर निकल सकती है। पावर-लॉ क्रीप के तहत क्रीप स्ट्रेस दिया जाता है:

$$\sigma_{creep} = \left(\frac{\dot{\varepsilon}}{A_c}\right)^{1/m}\exp{\left(\frac{Q_c}{mRT}\right)} $$ कहाँ $$R $$ गैस स्थिर है, $$T $$ तापमान है, $$\dot{\varepsilon}$$ यूनिएक्सियल तनाव दर है, $$\sigma_{creep}$$ रेंगना तनाव (यांत्रिकी) है, और लिथियम धातु के लिए $$m = 6.6$$, $$Q_c = 37\,\mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$$, $$A_c^{-1/m}=3\times 10^5\,\mathrm{Pa} \cdot \mathrm{s}^{-1} $$. लिथियम धातु को एनोड के रूप में उपयोग करने के लिए, 0.8 एमपीए के उपज तनाव के क्रम में सेल दबाव को अपेक्षाकृत कम मूल्यों तक कम करने के लिए बहुत सावधानी बरतनी चाहिए। लिथियम धातु एनोड के लिए सामान्य ऑपरेटिंग सेल दबाव 1-7 एमपीए से कहीं भी है। लिथियम धातु पर तनाव को कम करने के लिए कुछ संभावित रणनीतियों में एक चुने हुए हुक के कानून के स्प्रिंग्स या पूरे सेल के नियंत्रित दबाव के साथ कोशिकाओं का उपयोग करना है। एक अन्य रणनीति कुछ ऊर्जा क्षमता का त्याग करने और लिथियम धातु मिश्र धातु एनोड का उपयोग करने की हो सकती है, जिसमें सामान्यतः शुद्ध लिथियम धातु की तुलना में उच्च पिघलने का तापमान होता है, जिसके परिणामस्वरूप रेंगने की प्रवृत्ति कम होती है।  जबकि ये मिश्रधातु लिथियेटेड होने पर काफी विस्तार करते हैं, अक्सर लिथियम धातु की तुलना में अधिक मात्रा में, उनके पास यांत्रिक गुणों में भी सुधार होता है जिससे उन्हें लगभग 50 एमपीए के दबाव में काम करने की अनुमति मिलती है।  इस उच्च सेल दबाव में कैथोड में शून्य निर्माण को संभवतः कम करने का अतिरिक्त लाभ भी है।

लाभ
माना जाता है कि ठोस-अवस्था बैटरी तकनीक उच्च ऊर्जा घनत्व (2.5x) प्रदान करती है। वे व्यावसायिक बैटरियों में पाए जाने वाले खतरनाक या जहरीले पदार्थों जैसे कार्बनिक विद्युत् अपघट्य के उपयोग से बच सकते हैं। क्योंकि अधिकांश तरल विद्युत् अपघट्य ज्वलनशील होते हैं और ठोस विद्युत् अपघट्य गैर ज्वलनशील होते हैं, माना जाता है कि ठोस-अवस्था वाली बैटरियों में आग लगने का जोखिम कम होता है। कम सुरक्षा प्रणालियों की आवश्यकता है, आगे मॉड्यूल या सेल पैक स्तर पर ऊर्जा घनत्व में वृद्धि। हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि थर्मल भगोड़ा के तहत तरल विद्युत् अपघट्य के साथ पारंपरिक बैटरी के अंदर गर्मी उत्पादन मात्र ~ 20-30% है। माना जाता है कि ठोस-अवस्था बैटरी तकनीक तेजी से चार्जिंग की अनुमति देती है। उच्च वोल्टता और लंबा चक्र जीवन भी संभव है।

पृष्ठभूमि
1986 में केइची कानेहोरी द्वारा सबसे पहली पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरी पाई गई, जो ली विद्युत् अपघट्य पर आधारित है। यद्यपि, उस समय, तकनीक बड़े इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को विद्युत देने के लिए अपर्याप्त थी, इसलिए यह पूरी तरह से विकसित नहीं हुई थी। हाल के वर्षों में इस क्षेत्र में काफी शोध हुए हैं। गरबायो ने प्रदर्शित किया कि 2018 में पतली फिल्म लिथियम-गार्नेट ठोस अवस्था बैटरी के लिए क्रिस्टलीय अवस्थाों के अलावा "बहुरूपता" मौजूद है, मोरन ने प्रदर्शित किया कि पर्याप्त 2021 में 1-20 माइक्रोन की वांछित आकार सीमा के साथ सिरेमिक फिल्मों का निर्माण कर सकता है।

संरचना
एनोड सामग्री: ली को इसके भंडारण गुणों के कारण पसंद किया जाता है, अल, सी और एसएन के मिश्र धातु भी एनोड के रूप में उपयुक्त होते हैं।

कैथोड सामग्री: हल्के वजन, अच्छी चक्रीय क्षमता और उच्च ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है। सामान्यतः LiCoO2, LiFePO4, TiS2, V2O5 और LiMnO2 सम्मिलित हैं।

तैयारी तकनीक
कुछ तरीके नीचे सूचीबद्ध हैं।
 * भौतिक तरीके:
 * मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग (एमएस) पतली फिल्म निर्माण के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाओं में से एक है, जो भौतिक वाष्प जमाव पर आधारित है।
 * आयन-बीम निक्षेपण (आईबीडी) पहली विधि के समान है, यद्यपि, पूर्वाग्रह लागू नहीं होता है और इस प्रक्रिया में लक्ष्य और सब्सट्रेट के बीच प्लाज्मा नहीं होता है।
 * स्पंदित लेज़र निक्षेपण (PLD), इस विधि में प्रयुक्त लेज़र में लगभग 10 तक उच्च शक्ति स्पंदन होते हैं8 डब्ल्यू सेमी -2.
 * वैक्यूम वाष्पीकरण (वीई) अल्फा-सी पतली फिल्मों को तैयार करने की एक विधि है। इस प्रक्रिया के दौरान, Si वाष्पित हो जाता है और एक धात्विक सब्सट्रेट पर जमा हो जाता है।
 * रासायनिक तरीके:
 * इलेक्ट्रोडपोजिशन (ईडी) एसआई फिल्मों के निर्माण के लिए है, जो सुविधाजनक और आर्थिक रूप से व्यवहार्य तकनीक है।
 * रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) एक निक्षेपण तकनीक है जो उच्च गुणवत्ता और शुद्धता के साथ पतली फिल्म बनाने की अनुमति देती है।
 * ग्लो डिस्चार्ज प्लाज्मा डिपोजिशन (जीडीपीडी) एक मिश्रित भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया में, फिल्मों में अतिरिक्त हाइड्रोजन सामग्री को कम करने के लिए संश्लेषण तापमान बढ़ा दिया गया है।

पतली फिल्म प्रणाली का विकास

 * लीथियम-ऑक्सीजन और नाइट्रोजन आधारित पॉलीमर थिन फिल्म विद्युत् अपघट्य का ठोस अवस्था बैटरियों में पूरी तरह इस्तेमाल किया गया है।
 * नॉन-ली आधारित थिन फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों का अध्ययन किया गया है, जैसे एग-डोप्ड जर्मेनियम चेलकोजेनाइड थिन फिल्म ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य सिस्टम। बेरियम-डोप्ड पतली फिल्म प्रणाली का भी अध्ययन किया गया है, जिसकी मोटाई कम से कम 2μm हो सकती है। इसके अलावा, नी पतली फिल्म में भी एक घटक हो सकता है।
 * थिन फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों के लिए विद्युत् अपघट्य को गढ़ने के अन्य तरीके भी हैं, जो हैं 1.इलेक्ट्रोस्टैटिक-स्प्रे डिपोजिशन तकनीक, 2. डीएसएम-सोलफिल प्रक्रिया और 3. लिथियम आधारित थिन फिल्म ठोस अवस्था के निष्पादन को बेहतर बनाने के लिए MoO3 नैनोबेल्ट का उपयोग करना बैटरी।

लाभ

 * अन्य बैटरियों की तुलना में, थिन फिल्म बैटरियों में उच्च ग्रेविमेट्रिक ऊर्जा घनत्व और वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व दोनों होते हैं। संग्रहीत ऊर्जा के बैटरी निष्पादन को मापने के लिए ये महत्वपूर्ण संकेतक हैं। <रेफरी नाम = पाटिल 1913-1942 >
 * उच्च ऊर्जा घनत्व के अलावा, थिन-फिल्म ठोस-अवस्था बैटरी का जीवनकाल लंबा होता है, उत्कृष्ट लचीलापन और कम वजन होता है। ये गुण थिन फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों को विभिन्न क्षेत्रों जैसे इलेक्ट्रिक वाहनों, सैन्य सुविधाओं और चिकित्सा उपकरणों में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाते हैं।

चुनौतियां

 * इसका निष्पादन और दक्षता इसकी ज्यामिति की प्रकृति से विवश है। एक पतली फिल्म बैटरी से ली गई धारा काफी हद तक विद्युत् अपघट्य/कैथोड और विद्युत् अपघट्य/एनोड इंटरफेस की ज्यामिति और इंटरफ़ेस संपर्कों पर निर्भर करती है।
 * विद्युत् अपघट्य की कम मोटाई और इलेक्ट्रोड और विद्युत् अपघट्य इंटरफ़ेस पर इंटरफेसियल प्रतिरोध पतली फिल्म सिस्टम के आउटपुट और एकीकरण को प्रभावित करता है।
 * चार्जिंग-डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, वॉल्यूमेट्रिक का काफी परिवर्तन सामग्री की हानि करता है। <रेफरी नाम = पाटिल 1913-1942 />

यह भी देखें

 * सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट
 * द्विसंयोजक
 * फास्ट आयन कंडक्टर
 * आयनिक चालकता (ठोस अवस्था)
 * आयनिक क्रिस्टल
 * जॉन बी. गुडइनफ
 * बैटरी प्रकारों की सूची
 * लिथियम-एयर बैटरी
 * लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी
 * विभाजक (बिजली)
 * supercapacitor
 * पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी