बैटरी^(Battery) तकनीक ने पिछले कुछ वर्षों में एक लंबा सफर तय किया है। उन्नत आधुनिक बैटरी तकनीक के बिना ड्रोन^(drones) और स्मार्टफोन जैसे गैजेट अव्यावहारिक होंगे। 

हालाँकि, बैटरी हमेशा बेहतर हो सकती है! 

सॉलिड स्टेट बैटरी अगली बड़ी उन्नति प्रतीत होती है और उनका उपयोग करने वाले उत्पाद कोने के आसपास हैं। इसका मतलब है कि अब यह खुद को परिचित करने का सही समय है कि वे क्या हैं और वे क्यों महत्वपूर्ण हैं।

"ठोस अवस्था" का क्या अर्थ है?

चाहे वह लेड एसिड कार बैटरी हो, क्षारीय डिस्पोज़ेबल हो, या फ़ोन में लिथियम पॉलीमर बैटरी^{(lithium polymer batteries)} हो, ये सभी एक लिक्विड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हैं। इलेक्ट्रोलाइट एक प्रवाहकीय पदार्थ है जो बैटरी के दो आंतरिक टर्मिनलों को जोड़ता है। इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होते हैं, जिससे बैटरी या तो विद्युत आवेश का निर्माण कर सकती है या इसे डिस्चार्ज कर सकती है।

एक ठोस अवस्था बैटरी पारंपरिक तरल इलेक्ट्रोलाइट के बजाय एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है। दो बैटरी प्रौद्योगिकियों के बीच यही एकमात्र मूलभूत अंतर है। यह काफी सरल लगता है, लेकिन इंजीनियर और वैज्ञानिक दशकों से एक ठोस सामग्री के साथ आने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जो इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य कर सकता है।

सॉलिड स्टेट^{(Solid State)} बैटरियों के बारे में क्या मुश्किल है?^(Hard)

विभिन्न सामग्री, जैसे कि सिरेमिक और लिथियम धातु, ठोस अवस्था इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में क्षमता प्रदान करते हैं। समस्या यह है कि सिरेमिक दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप खराब बैटरी प्रदर्शन हुआ है। लिथियम धातुएं आशाजनक हैं, लेकिन एक घातक दोष है। जैसे ही बैटरी चार्ज और डिस्चार्ज होती है, इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से धातु "डेंड्राइट्स" बढ़ते हैं। बैटरी शॉर्ट-सर्किट कर सकती है और खतरे में बदल सकती है।

इन मुद्दों का व्यावहारिक और आर्थिक रूप से व्यवहार्य समाधान खोजना पिछले कुछ वर्षों में कई कंपनियों और अनुसंधान टीमों का मिशन रहा है। अब वह काम रंग लाने वाला है। 

इस सारी परेशानी से क्यों गुजरते हैं? आइए उन लाभों को देखें जो पारंपरिक बैटरी की तुलना में सॉलिड स्टेट बैटरी का वादा करते हैं।

सुरक्षा

बैटरियां बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहित करती हैं और इस ऊर्जा के अनियंत्रित तरीके से निकलने का खतरा हमेशा बना रहता है। जब ऐसा होता है, तो इसका मतलब आग, विस्फोट और अन्य अवांछित परिणाम हो सकते हैं। सॉलिड स्टेट बैटरी, यह मानते हुए कि डेंड्राइट समस्या हल हो गई है, सुरक्षित और अधिक स्थिर होने का वादा करती है। एक बात के लिए, वे ज्वलनशील नहीं होते हैं, इसलिए बैटरी में आग लगना अब बीते दिनों की बात हो जानी चाहिए।

यह न केवल कारों और ड्रोन जैसे इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए, बल्कि स्मार्टफोन और लैपटॉप जैसे व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए भी महत्वपूर्ण है। हर साल कई लोग अपने इलेक्ट्रॉनिक गैजेट्स की बैटरी में आग लगने से घायल हो जाते हैं। परिणामस्वरूप पूरे घर जल कर राख हो गए हैं!

रिचार्ज स्पीड

आधुनिक लिथियम बैटरी प्रभावशाली गति से चार्ज हो^{(charge at impressive speeds)} सकती हैं , लेकिन उन्हें भरने में अभी भी काफी समय लगता है। एक पारंपरिक लिथियम आयन बैटरी के सभी बग़ल में जाने से पहले आप उसमें कितनी ऊर्जा डाल सकते हैं, इसकी एक सीमा है। सॉलिड स्टेट बैटरी हमारे द्वारा वर्तमान में उपयोग की जाने वाली बैटरियों की तुलना में छह गुना अधिक तेजी से चार्ज करने का वादा करती है। इसका मतलब है कि अपने फोन को पांच मिनट में खाली से फुल charging an electric car to 80% in 15 ।

ऊर्जा क्षमता और आकार

लिथियम^(Lithium) आयन बैटरी में वर्तमान में जनता को बेची जाने वाली किसी भी प्रकार की बैटरी की तुलना में सबसे अधिक ऊर्जा घनत्व है। फिर भी यह अभी भी गैसोलीन से कई गुना कम घना है। जबकि सॉलिड स्टेट बैटरियां बैटरी को गैस के बराबर नहीं लाती हैं, यह प्रति वॉल्यूम ऊर्जा घनत्व को दोगुना से अधिक करने का वादा करती है। 

दूसरे शब्दों में, यदि आपने सॉलिड स्टेट मॉडल का उपयोग करके अपने फोन में बैटरी बदली है, तो यह सैद्धांतिक रूप से आकार में वृद्धि किए बिना दो बार लंबे समय तक चल सकती है। यह इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए एक और बड़ा विक्रय बिंदु है, जो कि उतने लोकप्रिय नहीं हैं जितना वे हो सकते हैं, रेंज चिंता के लिए धन्यवाद।

जीवनकाल और स्थायित्व

लगभग 500 पूर्ण चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद अधिकांश वर्तमान लिथियम आयन बैटरी ख़राब होने लगती हैं। उस बिंदु के बाद बैटरी अपनी क्षमता खोना शुरू कर देती है^{(battery begins to lose its capacity)} जब तक कि वह मुश्किल से चार्ज नहीं कर पाती। स्मार्टफोन में, जिसमें अब सीलबंद बैटरी होती है, यह डिवाइस के जीवनकाल पर एक कठिन सीमा डालता है। सॉलिड स्टेट बैटरियां उस सीमा को काफी बढ़ाने का वादा करती हैं। जितना पांच गुना। 

इसलिए, जहां एक सामान्य दैनिक उपयोग वाली फ़ोन की बैटरी दो से तीन वर्षों के बाद ख़राब होना शुरू हो सकती है, एक सॉलिड स्टेट बैटरी पंद्रह वर्षों^{(fifteen years)} तक अपनी रेटेड क्षमता पर बनी रहेगी । इलेक्ट्रिक कारों में, जहां बैटरियों को बदलना बेहद महंगा होता है, इसका वाहनों के इस वर्ग के स्वामित्व की लागत पर नाटकीय प्रभाव पड़ सकता है। 

सॉलिड स्टेट बैटरी की कमजोरियां

अगर यह सब सच होने के लिए बहुत अच्छा लगता है, तो तकनीक के लिए कुछ चेतावनी हैं। सॉलिड स्टेट बैटरी तकनीक को व्यापक रूप से अपनाने से पहले इनमें से कुछ को अभी भी हल करने की आवश्यकता है।

• कीमत^{(Cost )} शायद सबसे बड़ी दुश्मन है। अनुसंधान^(Research) दल और स्टार्टअप कंपनियां इन बैटरियों के उत्पादन की प्रक्रिया को सस्ता और स्केलेबल बनाने के लिए कड़ी मेहनत कर रही हैं। कुछ कंपनियां करीब होने का दावा करती हैं, लेकिन जब तक हम इन बैटरियों वाले उत्पादों की वास्तविक कीमतों को नहीं देख लेते, तब तक हमें पता नहीं चलेगा कि वे कितनी सफल रही हैं।

• ये बैटरियां कम तापमान पर भी संघर्ष करती^{(struggle at low temperatures)} हैं । इसलिए, समाधान जिसमें उन्हें इन्सुलेट करना या उन्हें एक अच्छे परिचालन तापमान पर रखना शामिल है, चुनौती का हिस्सा हैं।

आप सॉलिड स्टेट^{(Solid State)} बैटरी कब खरीद सकते हैं?

सॉलिड पावर^{(Solid Power)} और क्वांटमस्केप^{(QuantumScape)} जैसी कुछ कंपनियां हैं , जो वाणिज्यिक सॉलिड स्टेट बैटरी अनुप्रयोगों के शीर्ष पर होने का दावा करती हैं। 

टोयोटा की योजना ^(Toyota)2021 की शुरुआत में बिक्री के लिए सॉलिड स्टेट बैटरी इलेक्ट्रिक वाहन लाने की है । सॉलिड पावर^{(Solid Power)} और क्वांटमस्केप^{(QuantumScape)} दोनों का लक्ष्य क्रमशः 2022 और 2024 में वाहनों के लिए बैटरियों के रोलआउट का लक्ष्य है। इसका मतलब है कि अगले कुछ वर्षों में हम बैटरी क्रांति की शुरुआत में सही हो सकते हैं। 

इससे पहले कि हम ग्राफीन के उपयोग से आने वाली संभावनाओं में भी शामिल हों। यह आश्चर्यजनक सामग्री और भी बेहतर बैटरी का वादा करती है, चाहे उनमें तरल या ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स हों। गेंद खेलने के लिए ग्रैफेन प्राप्त करना वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को अपेक्षा से अधिक समय तक नहीं मिला है, लेकिन आप पहले से ही एक हाइब्रिड ग्रैफेन पावरबैंक^{(hybrid graphene powerbank)} खरीद सकते हैं। सचमुच^(Truly) , भविष्य यहाँ है।

What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?

Battery teсhnology has come a lоng way oνer the years. Gadgets like drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology. 

However, batteries could always be better! 

Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.

What Does “Solid State” Mean?

Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.

A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.

What’s Hard About Solid State Batteries?

Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.

Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off. 

Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.

Safety

Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.

This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!

Recharge Speed

Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.

Energy Capacity and Size

Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume. 

In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.

Lifespan and Durability

Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times. 

So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles. 

Solid State Battery Weaknesses

If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.

• Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.

• These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.

When Can You Buy Solid State Batteries?

There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications. 

Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively.  This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution. 

That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.

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