सॉलिड-स्टेट बैटरी

लिथियम आयन बैटरी या लिथियम बहुलक 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।^[1]^[2]

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।^[3]

ठोस-अवस्था बैटरियों में ठोस विद्युत् अपघट्य के रूप में उपयोग के लिए प्रस्तावित पदार्थ में सिरेमिक (जैसे, ऑक्साइड, सल्फाइड, फॉस्फेट) और ठोस बहुलक सम्मिलित हैं। ठोस-अवस्था बैटरियों का उपयोग कृत्रिम कार्डियक पेसमेकर, रेडियो-आवृत्ति पहचान और धारणीय 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।^[4]

इतिहास

1831 और 1834 के बीच, माइकल फैराडे ने ठोस विद्युत् अपघट्य सिल्वर सल्फाइड और लेड II कांच (द्वितीय) फ्लोराइड की खोज की, जिसने ठोस-अवस्था आयनिक्स की नींव रखी।^[5]^[6]

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।^[7]^[8] 1967 में, आयनों के 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।^[9]^[8]^[10] सबसे तुरंत, अमेरिका में फोर्ड मोटर कंपनी^[11] और जापान में एनजीके^[8] 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।^[8] यद्यपि, इनमें से कई प्रणालियों को सामान्यतः उच्च तापमान पर संचालन की आवश्यकता होती है, और / या उत्पादन करने के लिए कममानित थे, मात्र सीमित व्यावसायिक तैनाती को सक्षम करने के लिए है।^[8] ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला, लिथियम फॉस्फोरस ऑक्सीनाइट्राइड (लीपॉन) द्वारा विकसित ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य का नवीन वर्ग 1990 के दशक में उभरा था। जबकि लीपॉन का उपयोग पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी बनाने के लिए सफलतापूर्वक किया गया था। पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी,^[12] इस प्रकार के अनुप्रयोग पतली फिल्म विद्युत् अपघट्य के निक्षेप से जुड़ी लागत के साथ-साथ छोटी क्षमताओं के कारण सीमित थे, जिन्हें पतली फिल्म प्रारूप का उपयोग करके अभिगम किया जा सकता था।^[13]^[14]

2011 में, कामया एट अल के ऐतिहासिक कार्य ने पहले ठोस-विद्युत् अपघट्य, Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃ (LAGP) का निष्पादन किया, जो कक्ष के तापमान पर तरल विद्युत् अपघट्य समकक्षों से अधिक आयतन में आयनिक चालकता प्राप्त करने में सक्षम था।^[15] इसके साथ, बल्क ठोस-आयन संवाहक अंततः लिथियम-आयन समकक्षों के साथ तकनीकी रूप से प्रतिस्पर्धा कर सकते हैं, जिससे ठोस-अवस्था शोध के आधुनिक युग का प्रारम्भ हो सकता है।

2000 का वाणिज्यिक अनुसंधान एवं विकास

नवीन सहस्राब्दी में प्रौद्योगिकी उन्नत होने के कारण, स्वचालित और परिवहन उद्योगों में शोधकर्ताओं और कंपनियों ने ठोस-अवस्था बैटरी प्रौद्योगिकियों में पुनरोद्धार की रुचि का अनुभव किया। 2011 में, बोलोरे ने अपनी ब्लूकार मॉडल कारों का एक गाड़ियों के समूह का प्रमोचन किया, पहले कारशेयरिंग सेवा ऑटोलिब' के सहयोग से, और बाद में फुटकर ग्राहकों के लिए जारी किया। कार का उद्देश्य अनुप्रयोग में कंपनी की विद्युत से चलने वाले सेल की विविधता को प्रदर्शित करना था, और इसमें 30 kWh लिथियम धातु बहुलक (एलएमपी) बैटरी को बहुलकी विद्युत् अपघट्य के साथ चित्रित किया गया था, जिसे सह बहुलक (पॉलीऑक्सीएथिलीन) में लिथियम लवण को घोलकर बनाया गया था।

2012 में, टोयोटा ने शीघ्र ही निवेदन 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।^[16] उसी समय, वोक्सवैगन ने प्रौद्योगिकी में विशेषज्ञता रखने वाली छोटी प्रौद्योगिकी कंपनियों के साथ साझेदारी प्रारम्भ की।

तकनीकी सफलताओं की श्रृंखला प्रारम्भ हुई। 2013 में, कोलोराडो बोल्डर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी के विकास की घोषणा की, जिसमें लौह- गंधक रसायन शास्त्र पर आधारित ठोस समग्र कैथोड था, जिसने पहले से स्थित एसएसबी की तुलना में उच्च ऊर्जा क्षमता का वचन दिया था।^[17]

2017 में, लिथियम-आयन बैटरी के सह-आविष्कारक जॉन गुडइनफ ने काँच विद्युत् अपघट्य और लिथियम, सोडियम या पोटैशियम से युक्त क्षार-धातु एनोड का उपयोग करके ठोस-अवस्था कांच की बैटरी का अनावरण किया।^[18] उस वर्ष बाद में, टोयोटा ने पैनासोनिक के साथ अपनी दशकों प्राचीन साझेदारी को गहन करने की घोषणा की, जिसमें ठोस-अवस्था बैटरी पर सहयोग सम्मिलित है।^[19] अपने प्रारंभिक गहन अनुसंधान और अन्य उद्योग के नेताओं के साथ समन्वित सहयोग के कारण, टोयोटा के निकट एसएसबी से संबंधित सबसे अधिक पेटेंट हैं।^[20] यद्यपि, अन्य कार निर्माता स्वतंत्र रूप से ठोस-अवस्था बैटरी बैटरी प्रौद्योगिकियों का विकास कर रहे हैं, तीव्रता से बढ़ती हुई सूची में सम्मिलित हो गए हैं जिसमें बीएमडब्ल्यू,^[21] होंडा,^[22] हुंडई मोटर कंपनी^[23] और निसान सम्मिलित हैं।^[24] स्पार्क प्लग निर्माता एनजीके जैसी अन्य स्वचालित-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।^[25]

प्रमुख विकास 2018 में जारी रहे, जब यूनिवर्सिटी ऑफ कोलोराडो बोल्डर शोध समूह^[26] से निकले ठोस सामर्थ्य को सैमसंग और हुंडई मोटर कंपनी से 20 मिलियन डॉलर का वित्त पोषण प्राप्त किया, ताकि छोटी विनिर्माण पंक्ति स्थापित की जा सके, जो इसके सभी ठोस-अवस्था की प्रतियां तैयार कर सके, रिचार्जेबल लिथियम-धातु बैटरी मूल^[27] जिसकी अनुमानित क्षमता प्रति वर्ष 10 मेगावाट घंटे है।^[28]

क्वांटमस्केप, अन्य ठोस-अवस्था बैटरी प्रवर्तन जो विज्ञान-संबंधी शोध समूह (इस स्थिति में, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय) से बाहर निकला, ने उसी वर्ष ध्यान आकर्षित किया, जब वोक्सवैगन ने समूह के शोध में $100 मिलियन के निवेश की घोषणा की, जो सबसे बड़ा हितधारक बन गया, जिसमें बिल गेट्स^[29] निवेशक भी सम्मिलित थे। ठोस-अवस्था बैटरियों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए संयुक्त उत्पादन परियोजना स्थापित करने के लक्ष्य के साथ, वोक्सवैगन ने क्वांटमस्केप को जून 2020 में अतिरिक्त $200 मिलियन का अनुदान दिया, और 29 नवंबर, 2020 को न्यूयॉर्क स्टॉक एक्सचेंज की प्रारंभिक सार्वजनिक प्रस्तुति होगी परियोजना के लिए अतिरिक्त निष्पक्षता पूंजी जुटाने के लिए केंसिंग्टन कैपिटल एक्विजिशन के साथ विलय का भाग के रूप में है।^[30]^[31] क्वांटमस्केप ने बड़े पैमाने पर उत्पादन 2024 की दूसरी छमाही में प्रारम्भ करने के लिए निर्धारित किया है।^[31]

किंग ताओ ने 2018 में "विशेष उपकरण और उच्च अंत डिजिटल उत्पादों" के लिए एसएसबी की आपूर्ति करने के प्रारंभिक उद्देश्य के साथ, ठोस-अवस्था बैटरी की पहली चीनी उत्पादन पंक्ति भी प्रारम्भ की; यद्यपि, कंपनी ने स्वचालित अंतराल में संभावित विस्तार के उद्देश्य से कई कार निर्माताओं से बात की है।^[32]

जुलाई 2021 में, मुराटा उत्पादन 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 धारणीय उपकरणों के निर्माताओं को आपूर्ति करना है।^[33] बैटरी की क्षमता 3.8V पर 25mAh तक है,^[34] 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 प्रस्तुति करते हैं:^[35] समान शक्ति प्रदान करने के लिए एक ईवी को मुराटा सेल की तुलना में कम से कम 100 गुना अधिक की आवश्यकता होगी।

फोर्ड मोटर कंपनी और बीएमडब्ल्यू ने प्रवर्तन ठोस शक्ति को 130 मिलियन डॉलर से वित्त पोषित किया, और 2022 तक कंपनी ने कुल 540 मिलियन डॉलर जुटाए हैं।^[36]

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 ठोस-अवस्था बैटरी का उपयोग करने की अपनी योजना की घोषणा की।

2022 के प्रारम्भ में, स्विस क्लीन बैटरी (एससीबी) ने घोषणा की कि वह 2024 तक फ्रौएनफेल्ड में स्थायी ठोस-अवस्था बैटरी के लिए संसार 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।^[37]

जनवरी 2022 में, प्रोलोगियम टेक्नोलॉजी ने मर्सिडीज-बेंज समूह, मर्सिडीज-बेंज समूह की सहायक कंपनी के साथ 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।^[38]

फरवरी 2022 में, एल्पाइन 4 होल्डिंग्स की सहायक कंपनियों एलेक्जेट औरवायु एयरोस्पेस ने अपने ड्रोन में ठोस अवस्था बैटरियों को सफलतापूर्वक स्थापित किया, जिससे बाद में एक सरकारी संविदाकार को बिक्री हुई।^[39] जुलाई 2022 में, स्वॉट ने 350-400 Wh/kg ऊर्जा घनत्व वाली 20 Ah इलेक्ट्रिक बैटरी के उत्पादन की घोषणा की।^[40]

पदार्थ

ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य (एसएसई) उम्मीदवार पदार्थ में लिथियम ऑर्थोसिलिकेट,^[41] ग्लास बैटरी,^[18]सल्फाइड^[42] और रुबिडीयाम सिल्वर आयोडाइड|RbAg₄I₅ जैसे सिरेमिक सम्मिलित हैं।^[43]^[44] मुख्यधारा के ऑक्साइड ठोस विद्युत् अपघट्य में Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃ (LAGP), Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃ (LATP), पेरोसाइट-प्रकार Li_3xLa_2/3-xTiO₃ (LLTO), और गार्नेट-टाइप Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ (LLZO) सम्मिलित हैं।^[45] चार एसएसई की ऊष्मीय स्थिरता बनाम Li LAGP < LATP < LLTO < LLZO के क्रम में थी। क्लोराइड सुपर आयनिक संवाहकों को 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 कष्टमय नहीं हैं। इसके अतिरिक्त, उनकी लागत ऑक्साइड और सल्फाइड एसएसई से कम मानी जाती है।^[46] वर्तमान क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य निकाय को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: Li₃MCl₆^[47]^[48] और Li₂M_2/3Cl₄।^[49] M तत्वों में Y, Tb-Lu, Sc और In सम्मिलित हैं। कैथोड लिथियम आधारित हैं। रूपांतर में लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड, LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂, LiMn₂O₄, और LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ सम्मिलित हैं। एनोड अधिक भिन्न होते हैं और विद्युत् अपघट्य के प्रकार से प्रभावित होते हैं। उदाहरणों में In, ठोस अवस्था सिलिकॉन बैटरी, Ge_xSi_1−x, SnO–B₂O₃, SnS –P₂S₅, Li₂FeS₂, FeS, NiP₂, and Li₂SiS₃ सम्मिलित है।^[50]

एक आशाजनक कैथोड पदार्थ लिथियम-एस बैटरी है, जो (ठोस लिथियम एनोड/Li₂S सेल के भाग के रूप में) 1670 mAh g^-1 की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता है, "LiCoO₂ के प्रभावी मान से दस गुना बड़ा है"। सल्फर तरल विद्युत् अपघट्य अनुप्रयोगों में अनुपयुक्त कैथोड बनाता है क्योंकि यह अधिकांश तरल विद्युत् अपघट्य में घुलनशील होता है, प्रभावशाली रूप से बैटरी के जीवनकाल को कम करते है। सल्फर का अध्ययन ठोस अवस्था अनुप्रयोगों में किया जाता है।^[50]

वर्तमान में, एक सिरेमिक वस्त्र उद्योग विकसित किया गया था जिसने लिथियम-एस ठोस अवस्था बैटरी में वचन दिखाया था। इस वस्त्र उद्योग ने सल्फर लोडिंग को संभालने के समय आयन संचरण की सुविधा प्रदान की, यद्यपि यह अनुमानित ऊर्जा घनत्व तक नहीं पहुंच पाया। 500-माइक्रोन-मोटी विद्युत् अपघट्य समर्थन और विद्युत् अपघट्य क्षेत्र के 63% उपयोग का परिणाम 71Wh/kg था। जबकि अनुमानित ऊर्जा घनत्व 500Wh/kg था।^[51]

लिथियम-एयर बैटरी उच्च सैद्धांतिक क्षमता भी है। इन उपकरणों के साथ मुख्य समस्या यह है कि एनोड को परिवेशी वातावरण से सील किया जाना चाहिए, जबकि कैथोड इसके संपर्क में होना चाहिए।^[50]

Li/LiFePO₄ बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए ठोस अवस्था अनुप्रयोग के रूप में विश्वास दिखाती है। 2010 के अध्ययन ने इस पदार्थ को ईवी के लिए रिचार्जेबल बैटरी के सुरक्षित विकल्प के रूप में प्रस्तुत किया जो "यूएसएबीसी-डीओई लक्ष्यों को पार करते है"।^[52]

शुद्ध सिलिकॉन μSi||एसएसई||एनसीएम811 एनोड के साथ एक सेल डैरेन एचएस टैन एट अल द्वारा एकत्रित किया गया था। μSi एनोड (99.9 wt% की शुद्धता), ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य (एसएसई) और लिथियम निकल कोबाल्ट मैंगनीज ऑक्साइड (एनसीएम811) कैथोड का उपयोग करना। इस प्रकार की ठोस अवस्था बैटरी ने 5 mA सेमी⁻² तक उच्च वर्तमान घनत्व, कार्य तापमान की विस्तृत श्रृंखला (-20 डिग्री सेल्सियस और 80 डिग्री सेल्सियस), और 11 एमएएच सेमी^-2 तक की क्षेत्रीय क्षमता (एनोड के लिए) का प्रदर्शन किया (2890 एमएएच/जी)। साथ ही, 5 mA सेमी^-2 के अंतर्गत 500 चक्रों के बाद, 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।^[53]

क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य सैद्धांतिक रूप से उच्च आयनिक चालकता और ठीक अभिरूपणीयता वाले क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य के कारण पारंपरिक ऑक्साइड ठोस विद्युत् अपघट्य पर भी विश्वास दिखाते हैं।^[54] इसके अतिरिक्त क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य की असाधारण उच्च ऑक्सीकरण स्थिरता और उच्च नम्यता इसके निष्पादन में वृद्धि करते है। विशेष रूप से ठोस विद्युत् अपघट्य के लिथियम मिश्रित-धातु क्लोराइड वर्ग, झोउ एट ताल द्वारा विकसित Li₂In_xSc_0.666-xCl₄ संरचना की विस्तृत श्रृंखला पर उच्च आयनिक चालकता (2.0 mS सेमी⁻¹) दिखाते हैं। यह क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य के कारण अनावृत कैथोड सक्रिय पदार्थ के साथ संयोजन के रूप में उपयोग करने में सक्षम होने के कारण लेपित कैथोड सक्रिय पदार्थ और इसकी कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता के विपरीत है।^[55] Li₂ZrCl₆ ठोस विद्युत् अपघट्य के साथ कम, परन्तु अभी भी प्रभावशाली, आयनिक चालकता के साथ वैकल्पिक अल्पमूल्य क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य संयोजन पाया जा सकता है। यह विशेष रूप से क्लोराइड ठोस विद्युत् अपघट्य उच्च कक्ष के तापमान आयनिक चालकता (0.81 mS सेमी^-1), विरूपता, और उच्च आर्द्रता सहनशीलता है।^[56]

उपयोग

ठोस-अवस्था बैटरियां कृत्रिम हृदय गतिनिर्धारक, रेडियो-आवृत्ति अभिज्ञान, धारणीय तकनीक और इलेक्ट्रिक वाहनों में संभावित रूप से उपयोगी हैं।^[57]^[58]

इलेक्ट्रिक वाहन

हाइब्रिड और प्लग-इन इलेक्ट्रिक कारें विभिन्न प्रकार की बैटरी तकनीकों का उपयोग करती हैं, जिनमें लिथियम-आयन, निकेल-धातु हाइड्राइड बैटरी (NiMH), लेड-एसिड बैटरी और इलेक्ट्रिक दोहरी परत संधारित्र (या अतिसंधारित्र),^[59] लिथियम-आयन बाजार पर बाध्यकारी है।^[60] अगस्त 2020 में, टोयोटा ने अपने प्रोटोटाइप वाहन, एलक्यू अवधारणा (2019) का सड़क परीक्षण प्रारम्भ किया, जो ठोस-अवस्था बैटरी से लैस है।^[61] सितंबर 2021 में, टोयोटा ने बैटरी विकास और आपूर्ति पर अपनी कार्यनीति 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।^[62]^[63] और, होंडा ने स्प्रिंग 2024 में ऑल-ठोस-अवस्था बैटरी के उत्पादन के लिए निष्पादन पंक्ति का संचालन प्रारम्भ करने के लिए अपना योजना कार्यक्रम निर्धारित किया है।^[64]

धारणीय

नवीन धारणीय 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।^[57]^[65]

अंतरिक्ष में उपकरण

मार्च 2021 में, औद्योगिक निर्माता हिताची जोसेन चाइल्ड पोला ग्राउंड तापमान ने ठोस-अवस्था बैटरी की घोषणा की, जिन्होंने अधियाचित किया कि यह उद्योग में उच्चतम क्षमताओं में से है और इसमें व्यापक संचालन तापमान श्रेणी है, जो अंतरिक्ष जैसे कठोर वातावरण के लिए संभावित रूप से उपयुक्त है।^[66]^[67] फरवरी 2022 में परीक्षण मिशन प्रारम्भ किया गया था, और अगस्त में, जाक्सा(जापान एयरोअंतराल एक्सप्लोरेशन एजेंसी (जाक्सा)) ने घोषणा की ^[68] कि ठोस-अवस्था बैटरियों ने अंतरिक्ष में ठीक से संचालित किया है, अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर जापानी प्रयोग मॉड्यूल किबो में कैमरा उपकरण को शक्ति प्रदान की है।

ड्रोन

हल्के भार 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 एयरोअंतराल, ड्रोन निर्माता और डिजाइनर, ने अपने G1 लंबी उड़ान ड्रोन में सम्मिलित करने के बाद उड़ान के समय में वृद्धि देखी।^[69]

आक्षेप

लागत

पतली-फिल्म ठोस-अवस्था बैटरियां ^[70] विनिर्माण प्रक्रियाओं को बनाने और नियोजित करने के लिए बहुमूल्य हैं, जिन्हें मापना जटिल माना जाता है, इसके लिए बहुमूल्य निर्वात निक्षेप उपकरण की आवश्यकता होती है।^[12] फलस्वरूप, उपभोक्ता-आधारित अनुप्रयोगों में पतली-लिथियम-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 का मूल्य US$100,000 होगी, और उच्च-श्रेणी की इलेक्ट्रिक कार के लिए 800 और 1,000 के बीच ऐसी सेल की आवश्यकता होगी।^[12] इसी प्रकार, लागत ने स्मार्टफोन जैसे अन्य क्षेत्रों में पतली फिल्म ठोस-अवस्था बैटरियों को अपनाने में बाधा डाली है।^[57]

तापमान और दाब संवेदनशीलता

कम तापमान संचालन आक्षेपपूर्ण हो सकता है।^[70] ठोस-अवस्था बैटरियों का ऐतिहासिक रूप से निकृष्ट निष्पादन रहा है।^[17]

सिरेमिक विद्युत् अपघट्य वाली ठोस-अवस्था बैटरी को इलेक्ट्रोड के साथ संपर्क बनाए रखने के लिए उच्च दाब की आवश्यकता होती है।^[71] सिरेमिक विभाजक वाली ठोस-अवस्था बैटरियां यांत्रिक प्रतिबल से टूट सकती हैं।^[12]

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 सहबहुलकित नवीन पदार्थ का उपयोग करके 230Wh/kg क्षमता के साथ दाब लागू किए बिना ठोस-अवस्था बैटरियों को स्थिर रूप से संचालित करने में प्रबन्धित रहे हैं।^[72]

अंतरापृष्ठीय प्रतिरोध

कैथोड और ठोस विद्युत् अपघट्य के बीच उच्च अंतरापृष्ठीय प्रतिरोध सभी ठोस-अवस्था बैटरियों के लिए लंबे समय से चली आ रही समस्या रही है।^[73]

अंतरापृष्ठीय अस्थिरता

इलेक्ट्रोड-विद्युत् अपघट्य की अंतरापृष्ठीय अस्थिरता सदैव ठोस अवस्था वाली बैटरियों में गंभीर समस्या रही है।^[74] इलेक्ट्रोड के साथ ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य संपर्कों के बाद, अंतरापृष्ठ पर रासायनिक और / या विद्युत रासायनिक पक्ष अभिक्रियाएं सामान्यतः निष्क्रिय अंतरापृष्ठ उत्पन्न करती हैं, जो इलेक्ट्रोड-एसएसई अंतरापृष्ठ में Li⁺ के प्रसार को बाधित करती है। उच्च-वोल्टता चक्रण पर, कुछ एसएसई ऑक्सीकृत निम्नीकरण से गुजर सकते हैं।

द्रुमाकृतिक

ठोस-अवस्था बैटरियों में ठोस लिथियम (Li) धातु एनोड उच्च ऊर्जा घनत्व, सुरक्षा और तीव्रता से रिचार्जिंग समय के लिए लिथियम-आयन बैटरी लिथियम-आयन बैटरी में प्रतिस्थापन के उम्मीदवार हैं। इस प्रकार के एनोड Li द्रुमाकृतिक (क्रिस्टल) के निर्माण और वृद्धि से पीड़ित होते हैं, गैर-समान धातु के विकास जो विद्युत लघु पथ में विद्युत् अपघट्य लीड में प्रवेश करती है। इस लघु पथन से ऊर्जा का निर्वहन, अधितापन (विद्युत), और कभी-कभी बेलगाम उष्म वायु प्रवाह के कारण अग्नि या विस्फोट होता है।^[75] Li द्रुमाकृतिक कूलॉमिक दक्षता को कम करते हैं।^[76]

द्रुमाकृतिक वृद्धि के यथार्थ तंत्र अनुसंधान का विषय बने हुए हैं। ठोस विद्युत् अपघट्य में धातु द्रुमाकृतिक वृद्धि का अध्ययन पिघले हुए सोडियम / सोडियम - β - एल्यूमिना / सल्फर सेल के उच्च तापमान पर शोध के साथ प्रारम्भ हुआ। इन प्रणालियों में, कभी-कभी सोडियम / ठोस विद्युत् अपघट्य अंतरापृष्ठ पर चढ़ाना-प्रेरित दाब की उपस्थिति के कारण सूक्ष्म विदर विस्तार के परिणामस्वरूप द्रुमाकृतिक बढ़ते हैं।^[77] यद्यपि, ठोस विद्युत् अपघट्य के रासायनिक क्षरण के कारण द्रुमाकृतिक वृद्धि भी हो सकती है।^[78]

Li धातु के लिए स्थिर लिथियम-आयन ठोस विद्युत् अपघट्य में, द्रुमाकृतिक मुख्य रूप से इलेक्ट्रोड / ठोस विद्युत् अपघट्य अंतरापृष्ठ पर दाब के निर्माण के कारण फैलते हैं, जिससे विदर का विस्तार होता है।^[79] इस बीच, ठोस विद्युत् अपघट्य के लिए जो उनके संबंधित धातु के विरुद्ध रासायनिक रूप से अस्थिर होते हैं, अंतरावस्था विकास और अंततः विदर प्रायः द्रुमाकृतिक को बनने से रोकता है।^[80]

उच्च तापमान पर सेल को संचालित करके ठोस-अवस्था लिथियम-आयन सेल में द्रुमाकृतिक वृद्धि को कम किया जा सकता है,^[81] या कठोर विद्युत् अपघट्य को भंजन करने के लिए अवशिष्ट प्रतिबल का उपयोग करके,^[79] जिससे द्रुमाकृतिक विक्षेपित होते हैं और द्रुमाकृतिक प्रेरित लघुपथन में विलम्ब होता है। ठोस-अवस्था विद्युत् अपघट्य और लिथियम धातु एनोड के बीच एल्युमिनियम युक्त इलेक्ट्रॉनिक संशोधित अंतरावस्था भी द्रुमाकृतिक ग्रोथ को रोकने में प्रभावपूर्ण सिद्ध हुए हैं।^[82]

यांत्रिक विफलता

बैटरी चार्जर के समय एनोड और कैथोड में आयतन परिवर्तन के माध्यम से ठोस-अवस्था बैटरियों में सामान्य विफलता तंत्र आतिथेय संरचनाओं से Li आयनों को जोड़ने और निष्कासन के कारण तंत्र सरंध्रता है।^[83]

कैथोड

कैथोड में सामान्यतः आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) के साथ सहायता करने के लिए एसएसई 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 निर्वात में बदल जाते हैं।^[84] यह निर्वात परिवर्तन अंतराकण सरंध्रता के निर्माण की ओर जाता है जो कैथोड और एसएसई कणों के बीच संपर्क प्रतिरोध को निकृष्ट करते है, जिसके परिणामस्वरूप आयन परिवहन में प्रतिबंध के कारण बैटरी की क्षमता का महत्वपूर्ण हानि होती है।^[83]^[85]^[86]

इस समस्या का प्रस्तावित हल कैथोड कणों में आयतन परिवर्तन के असमदिग्वर्ती होने की दशा का लाभ उठाना है। कई कैथोड पदार्थ मात्र कुछ क्रिस्टलोग्राफी के साथ आयतन में परिवर्तन का अनुभव करती हैं, यदि द्वितीयक कैथोड कणों को क्रिस्टलोग्राफिक दिशा में संवृद्ध किया जाता है जो चार्ज/डिस्चार्ज के साथ बहुत अधिक विस्तार नहीं करते है, तो कणों की आयतन में परिवर्तन को कम किया जा सकता है।^[87]^[88] 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।^[84] उदाहरण के लिए, LiCoO₂ (LCO) और LiNi_0.9Mn_0.05Co_0.05O₂ (NMC) लिथियम-आयन बैटरी के लिए दो प्रसिद्ध लिथियम-आयन बैटरी हैं। डिस्चार्ज होने पर एलसीओ को आयतन विस्तार से गुजरना दिखाया गया है जबकि एनवीनमसी को डिस्चार्ज होने पर आयतन संकुचन से गुजरना दिखाया गया है। इस प्रकार, उचित अनुपात में एलसीओ और एनवीनमसी का संयुक्त कैथोड निर्वहन के अंतर्गत न्यूनतम आयतन में परिवर्तन से गुजर सकते है क्योंकि एलसीओ के विस्तार से एनवीनमसी के संकुचन की आपूर्ति हो जाती है।

एनोड

आदर्श रूप से ठोस-अवस्था बैटरी अपनी उच्च ऊर्जा क्षमता के कारण शुद्ध लिथियम एनोड का उपयोग करेगी। यद्यपि, चार्ज के समय लिथियम प्लेटेड Li के लगभग 5 माइक्रोमीटर प्रति 1 एमएएच/सेमी² के आयतन में बड़ी वृद्धि से गुजरता है।^[83] छिद्रित माइक्रोसंरचना वाले विद्युत् अपघट्य के लिए, यह विस्तार दाब में वृद्धि की ओर जाता है जिससे विद्युत् अपघट्य छिद्रों और सेल के लघु परिपथ के माध्यम से Li धातु का विसर्पण हो सकता है।^[89] लिथियम धातु में 453K का अपेक्षाकृत कम गलनांक और 50 kJ/mol के स्व-प्रसार के लिए कम सक्रियण ऊर्जा होती है, जो कक्ष के तापमान पर महत्वपूर्ण रूप से विसर्पण की इसकी उच्च प्रवृत्ति का संकेत देती है।^[90]^[91] यह दिखाया गया है कि कक्ष के तापमान पर लिथियम सामर्थ्य-नियम विसर्पण से गुजरता है जहां तापमान गलनांक के सापेक्ष इतना अधिक होता है कि बाधाओं से बचने के लिए धातु में अव्यवस्था अपने विसर्पण समतल से बाहर निकल सकती है। सामर्थ्य-नियम विसर्पण के अंतर्गत विसर्पण प्रतिबल दिया जाता है:

$\sigma _{creep}=\left({\frac {\dot {\varepsilon }}{A_{c}}}\right)^{1/m}\exp {\left({\frac {Q_{c}}{mRT}}\right)}$

जहाँ $R$ गैस स्थिरांक है, $T$ तापमान है, ${\dot {\varepsilon }}$ एक अक्षीय तनाव दर है, प्रतिबल दर है, $\sigma _{creep}$ विसर्पण प्रतिबल (यांत्रिकी) है, और लिथियम धातु $m=6.6$ , $Q_{c}=37\,\mathrm {kJ} \cdot \mathrm {mol} ^{-1}$ , $A_{c}^{-1/m}=3\times 10^{5}\,\mathrm {Pa} \cdot \mathrm {s} ^{-1}$ के लिए।^[90]

लिथियम धातु को एनोड के रूप में उपयोग करने के लिए, 0.8 एमपीए के उपज प्रतिबल के क्रम में सेल दाब को अपेक्षाकृत कम मानों तक कम करने के लिए बहुत सावधानी बरतनी चाहिए।^[92] लिथियम धातु एनोड के लिए सामान्य संचालन सेल दाब 1-7 एमपीए से कहीं भी है। लिथियम धातु पर प्रतिबल को कम करने के लिए कुछ संभावित कार्यनीतियों में चुने हुए हुक के नियम के स्प्रिंगों या पूर्ण सेल के नियंत्रित दाब के साथ सेल का उपयोग करना है।^[83] अन्य कार्यनीति 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 विसर्पण की प्रवृत्ति कम होती है।^[93]^[94]^[95] जबकि ये मिश्रधातु लिथियेटेड होने पर अत्यधिक विस्तार करते हैं, प्रायः लिथियम धातु की तुलना में अधिक आयतन में, उनके निकट यांत्रिक गुणों में भी संशोधन होता है जिससे उन्हें लगभग 50 एमपीए के दाब में काम करने की अनुमति मिलती है।^[96]^[97] इस उच्च सेल दाब में कैथोड में शून्य निर्माण को संभवतः कम करने का अतिरिक्त लाभ भी है।^[83]

लाभ

माना जाता है कि ठोस-अवस्था बैटरी तकनीक उच्च ऊर्जा घनत्व (2.5x) प्रदान करती है।^[98]

वे व्यावसायिक बैटरियों में पाए जाने वाले संकटपूर्ण या विषाक्त पदार्थों जैसे कार्बनिक विद्युत् अपघट्य के उपयोग से बच सकते हैं।^[99]

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 अग्नि लगने का संकट कम होता है। कम सुरक्षा प्रणालियों की आवश्यकता है, आगे मॉड्यूल या सेल पैक स्तर पर ऊर्जा घनत्व में वृद्धि।^[1]^[99] वर्तमान अध्ययनों से पता चलता है कि ऊष्मीय अधिधावी के अंतर्गत तरल विद्युत् अपघट्य के साथ पारंपरिक बैटरी के भीतर ऊष्मा उत्पादन मात्र ~ 20-30% है।^[100]

माना जाता है कि ठोस-अवस्था बैटरी तकनीक तीव्रता से चार्जिंग की अनुमति देती है।^[101]^[102] उच्च वोल्टता और लंबा चक्र जीवन भी संभव है।^[99]^[70]

पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरी

पृष्ठभूमि

1986 में केइची कानेहोरी द्वारा सबसे पहली पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरी पाई गई,^[103] जो Li विद्युत् अपघट्य पर आधारित है। यद्यपि, उस समय, तकनीक बड़े इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को विद्युत देने के लिए अपर्याप्त थी, इसलिए यह पूर्ण रूप से विकसित नहीं हुई थी। वर्तमान वर्षों में इस क्षेत्र में अत्यधिक शोध हुए हैं। गरबायो ने प्रदर्शित किया कि 2018 में पतली फिल्म लिथियम-गार्नेट ठोस अवस्था बैटरी के लिए क्रिस्टलीय अवस्थाों के अतिरिक्त "बहुरूपता" स्थित है,^[104] मोरन ने प्रदर्शित किया कि पर्याप्त 2021 में 1-20 माइक्रोन की वांछित आकार सीमा के साथ सिरेमिक फिल्मों का निर्माण कर सकते है।^[105]

संरचना

एनोड पदार्थ: Li को इसके भंडारण गुणों के कारण अनुगृहीत किया जाता है, Al, Si और Sn के मिश्र धातु भी एनोड के रूप में उपयुक्त होते हैं।

कैथोड पदार्थ: हल्के भार, ठीक चक्रीय क्षमता और उच्च ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है। सामान्यतः LiCoO2, LiFePO4, TiS2, V2O5 और LiMnO2 सम्मिलित हैं।^[106]

तैयारी तकनीक

कुछ विधियां नीचे सूचीबद्ध हैं।^[107]

भौतिक विधियां:
1. मेग्‍नेट्रॉन कण क्षेपण (एमएस) पतली फिल्म निर्माण के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाओं में से एक है, जो भौतिक वाष्प निक्षेप पर आधारित है।^[108]
2. आयन-किरण पुंज निक्षेपण (आईबीडी) पहली विधि के समान है, यद्यपि, पूर्वाग्रह लागू नहीं होता है और इस प्रक्रिया में लक्ष्य और कार्यद्रव के बीच प्लाज्मा नहीं होता है।^{[citation needed]}
3. स्पंदित लेज़र निक्षेपण (पीएलडी), इस विधि में प्रयुक्त लेज़र में लगभग 10⁸ डब्ल्यू सेमी^{-2 तक उच्च शक्ति स्पंदन होते हैं।^{.^{[citation needed]}}}
4. निर्वात वाष्पीकरण (वीई) अल्फा-सी पतली फिल्मों को तैयार करने की एक विधि है। इस प्रक्रिया के समय, Si वाष्पित हो जाता है और एक धात्विक कार्यद्रव पर एकत्रित हो जाता है।^[109]
रासायनिक विधियां:
1. वैद्युत निक्षेपण (ईडी) एसआई फिल्मों के निर्माण के लिए है, जो सुविधाजनक और आर्थिक रूप से व्यवहार्य तकनीक है।^[110]
2. रासायनिक वाष्प निक्षेप (सीवीडी) एक निक्षेपण तकनीक है जो उच्च गुणवत्ता और शुद्धता के साथ पतली फिल्म बनाने की अनुमति देती है।^[111]
3. दीप्ति निर्वहन प्लाज्मा निक्षेपण (जीडीपीडी) एक मिश्रित भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया में, फिल्मों में अतिरिक्त हाइड्रोजन पदार्थ को कम करने के लिए संश्लेषण तापमान बढ़ा दिया गया है।^[112]

पतली फिल्म प्रणाली का विकास

लीथियम-ऑक्सीजन और नाइट्रोजन आधारित बहुलक पतली फिल्म विद्युत् अपघट्य का ठोस अवस्था बैटरियों में पूर्ण रूप उपयोग किया गया है।
गैर-Li आधारित पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों का अध्ययन किया गया है, जैसे Ag-डोपित जर्मेनियम चेलकोजेनाइड पतली फिल्म ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य निकाय।^[113] बेरियम-डोपित पतली फिल्म प्रणाली का भी अध्ययन किया गया है, जिसकी मोटाई कम से कम 2μm हो सकती है।^[114] इसके अतिरिक्त, Ni पतली फिल्म में भी घटक हो सकते है।^[115]
पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों के लिए विद्युत् अपघट्य के निर्माण की अन्य विधियां भी हैं, जो हैं 1. स्थिर वैद्युत- फुहार निक्षेपण तकनीक, 2. डीएसएम-सोलफिल प्रक्रिया और 3. लिथियम आधारित पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों के निष्पादन को ठीक बनाने के लिए MoO3 नैनोबेल्ट का उपयोग करना।^[116]

लाभ

अन्य बैटरियों की तुलना में, पतली फिल्म बैटरियों में उच्च भारात्मक ऊर्जा घनत्व और आयतनमितीय ऊर्जा घनत्व दोनों होते हैं। संग्रहीत ऊर्जा के बैटरी निष्पादन को मापने के लिए ये महत्वपूर्ण संकेतक हैं।
उच्च ऊर्जा घनत्व के अतिरिक्त, पतली-फिल्म ठोस-अवस्था बैटरी का जीवनकाल लंबा होता है, उत्कृष्ट नम्यता और कम भार होता है। ये गुण पतली फिल्म ठोस अवस्था बैटरियों को विभिन्न क्षेत्रों जैसे इलेक्ट्रिक वाहनों, सैन्य सुविधाओं और चिकित्सा उपकरणों में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाते हैं।

आक्षेप

इसका निष्पादन और दक्षता इसकी ज्यामिति की प्रकृति से कृत्रिम है। पतली फिल्म बैटरी से ली गई धारा व्यापक रूप से विद्युत् अपघट्य/कैथोड और विद्युत् अपघट्य/एनोड अंतराफलक की ज्यामिति और अंतरापृष्ठ संपर्कों पर निर्भर करती है।
विद्युत् अपघट्य की कम मोटाई और इलेक्ट्रोड और विद्युत् अपघट्य अंतरापृष्ठ पर अंतरापृष्ठीय प्रतिरोध पतली फिल्म निकाय के निर्गम और एकीकरण को प्रभावित करते है।
चार्जिंग-डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के समय, आयतनमितीय का अत्यधिक परिवर्तन पदार्थ की हानि करता है।

यह भी देखें

ठोस अवस्था विद्युत् अपघट्य
द्विसंयोजक
तीव्र आयन संवाहक
आयनिक चालकता (ठोस अवस्था)
आयनिक क्रिस्टल
जॉन बी. गुडइनफ
बैटरी प्रकारों की सूची
लिथियम-वायु बैटरी
लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी
विभाजक (विद्युत)
अति संधारित्र
पतली फिल्म लिथियम-आयन बैटरी

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v t e Electrochemical cells
Types	Galvanic cell Voltaic pile Battery Flow battery Trough battery Concentration cell Fuel cell Thermogalvanic cell
Primary cell (non-rechargeable)	Alkaline Aluminium–air Bunsen Chromic acid Clark Daniell Dry Edison–Lalande Grove Leclanché Lithium metal Lithium–air Mercury Metal-air battery Nickel oxyhydroxide Silicon–air Silver oxide Weston Zamboni Zinc–air Zinc–carbon
Secondary cell (rechargeable)	Automotive Lead–acid gel / VRLA Lithium–air Lithium ion Lithium–polymer Lithium–iron–phosphate Lithium–titanate Lithium–sulfur Dual carbon Metal–air battery Molten salt Nanopore Nanowire Nickel–cadmium Nickel–hydrogen Nickel–iron Nickel–lithium Nickel–metal hydride Nickel–zinc Polysulfide–bromide Potassium ion Rechargeable alkaline Silver–zinc Silver–cadmium Sodium ion Sodium–sulfur Solid state Vanadium redox Zinc–bromine Zinc–cerium
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