लिथियम आयन बैटरी या लेड एसिड बैटरी
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लिथियम आयन बैटरी कैसे काम करती है

सार्वजनिक डोमेन में यह धारणा है कि लेड एसिड बैटरी पुरानी तकनीक है। लिथियम आयन बैटरी की एक अलग धारणा है, यह आधुनिक है, क्लीनर है, इसमें 3 या 4 गुना ऊर्जा घनत्व और लंबा चक्र जीवन है। इस सब के साथ, 150 साल पुरानी लेड एसिड तकनीक तालिका में क्या संभावित लाभ ला सकती है? वास्तव में, सब कुछ वैसा नहीं है जैसा लगता है, विपणन दावों में उपयोग किए गए डेटा पर सुर्खियों के पीछे देखें, फिर थोड़ा सामान्य ज्ञान, बुनियादी शोध और कुछ अल्पविकसित विज्ञान लागू करें। आप पाएंगे कि असली कहानी कुछ अलग है।

पहली गलत धारणा वॉल्यूमेट्रिक और विशिष्ट ऊर्जा घनत्व से संबंधित है। 4 से 5 गुना के हेडलाइन मान केवल विशिष्ट ऊर्जा घनत्व और सीमित संख्या में लिथियम आयन बैटरी केमिस्ट्री से संबंधित हैं, जिनमें से कुछ अभी भी व्यावसायिक उपयोग में नहीं हैं। अंजीर। 2 लिथियम आयन बैटरी कोशिकाओं के लिए कई कैथोड की तुलना करता है, ये सबसे सुरक्षित Li-FePO4 रसायन विज्ञान के लिए लगभग 100Wh/kg से लेकर निकल-कोबाल्ट-एल्यूमीनियम ऑक्साइड संस्करण के लिए 200Wh/kg से अधिक है। लेड एसिड बैटरी आरेख नीचे दिया गया है:

Figure-2-Energy-densities-of-various-battery-chemistries-at-cell-level.jpg
चित्रा 2 सेल स्तर पर विभिन्न बैटरी केमिस्ट्री की ऊर्जा घनत्व
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चित्रा 3 सेल और सिस्टम स्तर पर लिथियम आयन बैटरी और लीड एसिड बैटरी की तुलना

ये मान केवल सिंगल-सेल स्तर पर लागू होते हैं, पैक या इन-सर्विस स्थिति पर नहीं। अंजीर। 3 सेल और सिस्टम स्तर पर विभिन्न बैटरी केमिस्ट्री की ऊर्जा घनत्व को दर्शाता है। सभी कनेक्शनों, कूलिंग, सुरक्षा और बैटरी प्रबंधन उपकरणों के साथ पूरी तरह से स्थापित होने पर लिथियम आयन बैटरी कोशिकाओं की ऊर्जा घनत्व व्यावहारिक रूप से आधी हो जाती है।

विशिष्ट ऊर्जा घनत्व का 3 से 5 गुना सेल स्तर का लाभ 2 से 3 गुना तक कम हो जाता है। लिथियम कैथोड रसायन शास्त्र पर निर्भर हम लगभग कुछ अनुप्रयोगों में पूरी तरह से स्थापित बैटरी सिस्टम के लिए लिथियम आयन बैटरी और लीड एसिड बैटरी ऊर्जा घनत्व के बीच समानता देख सकते हैं।
दूसरा कारक, चक्र जीवन का भी, भ्रम का एक स्रोत है। लिथियम आयन बैटरी अपनी नेमप्लेट रेटिंग के 80% से कम होने से पहले कितने चक्रों का प्रदर्शन कर सकती है? दो, तीन हजार? तालिका 1 प्रदर्शन और चक्र जीवन के लिए विभिन्न ली-आयन कैथोड सामग्री का सारांश देती है।

लीड एसिड बैटरी रसायन शास्त्र के लाभ

बैटरी अजीब उपकरण हैं। कोई उन्हें नहीं चाहता, लेकिन सभी को उनकी जरूरत है। जरूरत पड़ने पर ही इन्हें खरीदा जाता है। कितने लोग बैटरी के लिए स्थानीय मॉल से खिड़की की दुकान तक जाने की योजना बना रहे हैं? वे एक अप्रिय खरीद हैं और केवल तभी खरीदे जाते हैं जब बिल्कुल जरूरी हो। एक अच्छा विक्रेता आपको दो जोड़ी जूते, दो कार और शायद दो घर बेच सकता है यदि आपके पास पैसा है, लेकिन वह आपको दो SLI ऑटोमोबाइल बैटरी नहीं बेच सकता है। जब आप बैटरी खरीदते हैं, चाहे सोलर पैनल के लिए सोलर बैटरी , इलेक्ट्रिक बाइक या यूपीएस और इन्वर्टर बैटरी बैकअप सिस्टम या फोर्कलिफ्ट के लिए ट्रैक्शन बैटरी, क्या आप नहीं चाहते कि आप इसके बारे में अधिक जानते?

लीड एसिड बैटरी कैसे काम करती है, प्रकार और मॉडल के बीच क्या अंतर है, और विभिन्न केमिस्ट्री के बारे में कैसे? वे महंगे हो सकते हैं। एक वाणिज्यिक या घरेलू अनुप्रयोग में पेबैक क्या है, लीड एसिड बैटरी को बदलने का जीवन और लागत क्या है? आपको जिस आकार की आवश्यकता है, उपलब्ध स्थान, लेड एसिड बैटरी की ऊर्जा दक्षता और रिचार्ज समय? और फिर, सुरक्षा, निपटान और कार्बन फुटप्रिंट की छिपी हुई लागतें हैं। यह लेख लीड एसिड बैटरी की तुलना लिथियम आयन बैटरी से करता है और इन दोनों केमिस्ट्री से जुड़ी कई भ्रांतियों को दूर करता है।

कौन सी लिथियम आयन बैटरी सबसे अच्छी है

कैथोड सामग्री संक्षिप्त नाम नाममात्र वोल्टेज विशिष्ट ऊर्जा Wh/kg (सेल) साइकिल जीवन टिप्पणियाँ
लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड
(LiCoO2)
एलसीओ 3.6 150-200 500-1000 पोर्टेबल डिवाइस - ओवरचार्ज पर थर्मल भगोड़ा
लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn2O4) एलएमओ 3.7 100-150 300-700 बिजली उपकरण, चिकित्सा उपकरण - एलसीओ से अधिक सुरक्षित
लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (LiNiMnCO2) एनएमसी 3.6/3.7 150-220 1000-2000 ई-बाइक, ईवी, औद्योगिक - उच्च चक्र जीवन
लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4) एलएफपी 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - सभी लिथियम आयन बैटरी केमिस्ट्री में सबसे सुरक्षित
लिथियम निकल कोबाल्ट एल्युमिनियम ऑक्साइड (LiNiCoAlO2) एनसीए 3.6 200-260 500 150C, CL 500 . पर औद्योगिक, EV पावरट्रेन (टेस्ला) TR
लिथियम टाइटेनेट (Li4Ti5O12) एलटीओ 2.4 50-80 यूपीएस, सोलर, ईवी पावरट्रेन (होंडा, मित्सुबिशी)। सीएल 3000-7000 - बहुत सुरक्षित

जैसा कि देखा जा सकता है, सभी 800 से 2000 चक्र सीमा के भीतर आते हैं। इसकी तुलना में, एक अच्छी तरह से डिज़ाइन की गई लीड एसिड बैटरी आसानी से 1600 से अधिक चक्रों से 80% DOD तक प्राप्त कर सकती है। तो स्वामित्व की लागत पर विचार करते समय यह सब कैसे जुड़ जाता है? यह हमें अगले बिंदु पर लाता है जो कि लेड-एसिड बैटरी की कीमत है। लीड-एसिड बैटरी की तुलना में लिथियम-आयन बैटरी की लागत कितनी है? लिथियम-आयन बैटरी निर्माण संयंत्र की लागत? स्वाभाविक रूप से, लिथियम आयन बैटरी अधिक महंगी है लेकिन कितनी अधिक है। फिर, यह उस स्तर पर निर्भर करता है जिस पर विचार किया जा रहा है। प्रेस विज्ञप्ति हमें बताएगी कि ली-आयन की कीमतें गिर रही हैं और अब लेड एसिड के 2-3 गुना के दायरे में हैं।

सच में? लिथियम आयन बैटरी और लेड एसिड बैटरी दोनों के लिए 12V और 100 Ah की व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अवकाश बैटरी पर मूल्य प्राप्त करने के लिए हाल ही में यूके इंटरनेट खोज पर औसत मूल्य:
लिथियम आयन बैटरी $960 या $800/kwh
लीड एसिड बैटरी $215 या $180/kwh
जाहिर है, लिथियम आयन बैटरी का जीवन समान मूल्य प्राप्त करने के लिए लेड एसिड बैटरी के बराबर 4 गुना होना चाहिए। जैसा कि हमने देखा है, ऐसा नहीं है।

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चित्रा 5 बैटरी निर्माण के लिए क्रैडल टू गेट सिद्धांत की योजनाबद्ध
Figure-6-Cradle-to-Gate-CO2-emissions-for-different-battery-chemistries.jpg
चित्र 6 विभिन्न बैटरी केमिस्ट्री के लिए क्रैडल टू गेट CO2 उत्सर्जन

सभी मामलों में, लीड-एसिड बैटरी निर्माण सबसे अधिक लागत प्रभावी था, तब भी जब बेहतर चार्ज स्वीकृति और लंबे चक्र जीवन देने के लिए एक बड़ी लीड-एसिड बैटरी लगाई गई थी। इस उदाहरण में, एप्लिकेशन भारत में एक टेलीकॉम टावर था। अधिकांश अनुप्रयोगों और भौगोलिक क्षेत्रों में एक ही सिद्धांत लागू होता है, विशेष रूप से ठंडे मौसम में। दूसरी गलत धारणा यह है कि ली-आयन एक क्लीनर तकनीक है और लेड-एसिड की तुलना में कम प्रदूषणकारी है। विभिन्न बैटरी केमिस्ट्री के लिए क्रैडल टू गेट उत्सर्जन अंजीर में दिया गया है। 5 और 6.

यह आंकड़ा बैटरी निर्माण के लिए संचालन की सीमा को दर्शाता है। कच्चे माल के निष्कर्षण और परिवहन से लेकर सभी प्रसंस्करण चरणों के माध्यम से उस बिंदु तक जहां बैटरी जहाज के लिए तैयार हैं।

तालिका 2 एक वास्तविक जीवन की स्थिति है जिसमें विभिन्न जीवन काल में काम करने वाली लिथियम आयन बैटरी और लीड एसिड बैटरी का उपयोग करने के अर्थशास्त्र की तुलना की जाती है।

लागत मद दैनिक चलने की लागत USD दैनिक चलने की लागत USD
3 वर्ष लेड एसिड बैटरी लिथियम आयन बैटरी
ऋणमुक्ति 8.30 16.90
डीजल (वितरित) 15.50 15.50
रखरखाव 2.46 2.46
बिजली 1.47 1.47
बैटरी चार्ज हो रहा है 0.65 0.50
कुल दिन/माह 28.38/851 36.83/1105
6 वर्ष
ऋणमुक्ति 5.86 8.46
डीज़ल 15.50 15.50
रखरखाव 2.46 2.46
बिजली 1.47 1.47
बैटरी चार्ज हो रहा है 0.54 0.50
कुल दिन/माह 25.83/775 28.39/852

Argonne National Laboratories के इस डेटा से पता चलता है कि लिथियम आयन बैटरी के लिए कच्चे माल के निष्कर्षण और परिवहन सहित कुल निर्माण प्रक्रिया लेड एसिड वैल्यू के 4 गुना से अधिक है। सामग्री के निष्कर्षण के संबंध में, कोबाल्ट और मैंगनीज और लिथियम जैसी बुनियादी कैथोड सामग्री की आपूर्ति पूरी तरह से निश्चित नहीं है। निष्कर्षण और पुनर्प्राप्ति प्रक्रियाएं मौजूद हैं लेकिन मांग में उल्लेखनीय वृद्धि होने पर खानों और निर्माण स्थलों की संख्या आपूर्ति सीमित कर सकती है। भू-राजनीतिक मानचित्र भी इन सामग्रियों के कुछ स्रोतों के लिए अनिश्चितता की भविष्यवाणी करता है।

क्या लिथियम आयन बैटरी को रिसाइकिल किया जा सकता है?

इन केमिस्ट्री की पुनर्चक्रण क्षमता और सुरक्षा महत्वपूर्ण कारक हैं। यह ज्ञात है कि लेड एसिड बैटरी में लगभग सभी घटक 100% पुनर्नवीनीकरण होते हैं जबकि लिथियम आयन बैटरी के पुनर्चक्रण के लिए कोई व्यावसायिक प्रक्रिया नहीं होती है। यह स्थिति समझ में आती है जब आप समझते हैं कि ली, सीओ, एमएन इत्यादि के अधिक महंगे घटक कुल लिथियम आयन बैटरी का केवल एक छोटा सा अंश हैं। उदाहरण के लिए, लिथियम कुल सेल वजन का लगभग 4% है। इसमें यह स्पष्ट तथ्य जोड़ें कि लिथियम अत्यधिक प्रतिक्रियाशील (इसकी उच्च ऊर्जा घनत्व का आधार) है, जो कचरे से निकालने के लिए इसे महंगा बनाता है।

इसके निर्माण में कई अलग-अलग सामग्रियों के साथ जटिलता का अतिरिक्त कारक तकनीकी और आर्थिक रूप से रीसाइक्लिंग को कठिन बना देता है। परिणाम? इन बैटरियों को रीसायकल करने के लिए कोई व्यावसायिक प्रोत्साहन नहीं है। इस कारण से, पुनर्चक्रण सुविधाएं अभी भी प्रायोगिक स्तर पर हैं और अधिकतर सरकार द्वारा वित्त पोषित हैं।
वर्तमान में, स्क्रैप की गई लिथियम आयन बैटरी के विशाल बहुमत को उनके पुनर्चक्रण के लिए मजबूर करने के लिए तकनीकी सफलता या कानून की प्रतीक्षा में भंडारित किया जाता है। यदि बाद वाले को लागू किया जाना था तो अंततः उपभोग के लिए एक लागत होगी। यह लीड एसिड बैटरी प्रकारों की तुलना में ली-आयन सेल की कीमत में और वृद्धि करेगा।

क्या लिथियम आयन बैटरी फट सकती है

अंत में, हमारे पास सुरक्षा है। हमारे ज्ञान के लिए किसी भी लीड एसिड बैटरी अनुप्रयोगों में कभी भी सुरक्षा याद नहीं होती है क्योंकि हम जानते हैं कि पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और यहां तक कि इलेक्ट्रिक वाहनों में ली-आयन बैटरी के मामले में भी ऐसा ही होता है। अंजीर। 7 दिखाता है कि कुछ हफ़्ते पहले यूके में एक नए हाइब्रिड वोल्वो के साथ क्या हुआ था, इस लेख को लिखने के समय। ऐसे में चार्ज होने पर इसकी लिथियम आयन बैटरी में आग लग गई।

लिथियम-आयन बैटरी में आग लगती है

चित्र 7 वोल्वो हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन में ली-आयन बैटरी के कारण लगी आग: अप्रैल 2018-यूके निवास

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लिथियम बैटरी की वजह से जली वोल्वो कार में आग
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यह वीडियो लिथियम बैटरी के कारण हाल ही में लगी आग को दिखाता है। संभवतः कोशिकाओं में असंतुलन और अनुचित बीएमएस के कारण।

यहां तक कि जब लिथियम आयन बैटरी को संग्रहीत या परिवहन किया जाता है, तो यह गंभीर रूप से खतरनाक आग का कारण रहा है। जबकि ये अवसर दुर्लभ हैं, उन्हें स्वीकार करना होगा, और उपयुक्त सुरक्षा उपकरण और बैटरी प्रबंधन सॉफ़्टवेयर स्थापित करना होगा। उदाहरण के लिए न्यूयॉर्क अग्निशमन विभाग अभी भी यह तय करने की प्रक्रिया में है कि लिथियम आयन बैटरी की आग से कैसे निपटा जाए। यह दृढ़ता से सुझाव देगा कि दुनिया भर में लिथियम आयन बैटरी के मौजूदा सुरक्षा उपायों की समीक्षा करने की आवश्यकता है।

न्यूयॉर्क अग्निशमन विभाग का दृश्य निम्नलिखित है:

समाचार लेख उद्धरण: एडब्ल्यूएस उपयोगिता ड्राइव 15 नवंबर, 2016 “आग सबसे बड़ी समस्या नहीं है,” रोजर्स ने कहा। अग्निशामकों को आग से निपटने के लिए प्रशिक्षित किया जाता है, लेकिन उन्हें यह जानने की जरूरत है कि वे किससे निपट रहे हैं। ली-आयन बैटरी जहरीले एसिड और ज्वलनशील वाष्प छोड़ सकती है। उनमें से कुछ वाष्प आग से भस्म हो जाते हैं, लेकिन यदि वे नहीं हैं, तो वे आग लग सकते हैं या अग्निशामकों के लिए एक समस्या हो सकती है। सबसे बड़ी समस्या यह है कि “पोस्ट-ऑप” क्या होता है, यानी आग बुझने के बाद। रोजर्स ने कहा कि अगर बैटरी बंद हो जाती है तो भी यह 72 घंटे तक राज कर सकती है। -लेफ्टिनेंट न्यू यॉर्क के खतरनाक सामग्री संचालन विभाग के पॉल रोजर्स फायर डिपार्टमेंट ”

लिथियम आयन बैटरी या लेड एसिड बैटरी?

लिथियम आयन बैटरी में निश्चित रूप से लेड एसिड की तुलना में बेहतर प्रदर्शन विशेषताएँ होती हैं। हालांकि, सुरक्षा और प्रबंधन आवश्यकताओं से जुड़े अतिरिक्त हार्डवेयर द्वारा इन लाभों को गंभीर रूप से कम कर दिया गया है। शुद्ध परिणाम यह है कि लेड एसिड बैटरियों के अलग-अलग फायदे हैं, खासकर जब उन अनुप्रयोगों पर विचार किया जाता है जो वजन या चार्ज स्वीकृति द्वारा प्रतिबंधित नहीं हैं। लेड एसिड बैटरी निर्माण संयंत्र लागत की कम प्रारंभिक लागत; कम खरीद मूल्य और सीसा एसिड की कम परिशोधन लागत इसके कम पर्यावरणीय प्रभाव और अंतर्निहित सुरक्षा के साथ संयुक्त, निम्नलिखित लाभ प्रदान करते हैं:

  • कम खरीद मूल्य। कीमत ली-आयन समकक्ष के लगभग एक-चौथाई है। अधिकांश अनुप्रयोगों में स्वामित्व की कम कुल लागत देने के लिए कम परिचालन लागत।
  • पुनरावर्तनीयता। सभी लीड एसिड बैटरी सामग्री का लगभग 100% पुनर्नवीनीकरण किया जाता है। स्क्रैप मूल्य बैटरी सामग्री लागत का 20% तक अतिरिक्त राजस्व प्रदान कर सकता है। लिथियम बैटरी में रीसाइक्लिंग के लिए कोई बुनियादी ढांचा या वाणिज्यिक प्रक्रिया नहीं है
  • सुरक्षा। लेड एसिड का रसायन लिथियम आयन बैटरी की तुलना में स्वाभाविक रूप से सुरक्षित है
  • स्थिरता। लेड एसिड के लिए आपूर्ति के कई सुस्थापित स्रोत हैं, विशेष रूप से रीसाइक्लिंग सुविधाओं से। राजनीतिक रूप से संवेदनशील क्षेत्रों से लिथियम और अन्य कैथोड सामग्री की आपूर्ति की जा सकती है। मौजूदा वैश्विक सामग्री निष्कर्षण और विनिर्माण क्षमता दोनों लिथियम आयन बैटरी के उत्पादन में तेजी से वृद्धि का समर्थन नहीं करेंगे।
  • कार्बन पदचिह्न। लीड एसिड बैटरी निर्माण में लिथियम आयन बैटरी के एक तिहाई कार्बन पदचिह्न को गेट करने के लिए एक पालना है।

लिथियम आयन बैटरी कंपनियों द्वारा चित्रित एक के लिए एक अलग तस्वीर। हालांकि यह तर्क नहीं दिया जा सकता है कि लेड एसिड का ऊर्जा घनत्व में एक नुकसान है, तथ्य यह है कि लेड-एसिड बैटरी अभी भी एक अत्यधिक सुरक्षित, प्रतिस्पर्धी और कई अनुप्रयोगों में बैटरी तकनीक का सबसे अच्छा विकल्प है।

लिथियम आयन बैटरी क्या है

कैथोड और एनोड सामग्री: हालांकि निकल-मेटल हाइड्राइड (Ni-MH) कोशिकाओं को शुरू में 1990 के दशक में पसंद किया गया था, दुनिया का पहला वाणिज्यिक लिथियम आयन रिचार्जेबल बैटरी उत्पाद 1991 में Sony Corporation द्वारा जारी किया गया था। उच्च ऊर्जा सामग्री के अलावा, द्रव्यमान और मात्रा दोनों के अनुसार, इस बैटरी ने उत्कृष्ट निम्न-तापमान विशेषताओं, भार विशेषताओं और चक्र विशेषताओं की भी पेशकश की। नतीजतन, इसने तेजी से बाजार पर कब्जा कर लिया और ऑडियो और वीडियो उपकरण, पर्सनल कंप्यूटर, पोर्टेबल टेलीफोन और अन्य पोर्टेबल उपकरणों के लिए शक्ति का एक अनिवार्य स्रोत बन गया।

आज की उन्नत बैटरी तकनीक की शुरुआत फोर्ड मोटर कंपनी प्रयोगशाला में कुमेर और सहकर्मियों द्वारा ठोस चरण NaAl 11 O 17 की उच्च आयनिक चालकता की खोज के साथ हुई, जिसे सोडियम β-एल्यूमिना कहा जाता है। [1. रसायन विज्ञान के लिए नोबेल पुरस्कार पर ओलोफ रामसरतोमस्ट्रॉम, रसायन विज्ञान 2019 में नोबेल पुरस्कार पर वैज्ञानिक पृष्ठभूमि; 2. YFY याओ और JT Kummer, J. Inorg। नाभिक। रसायन। 29, 2453 (1967)].

इससे यह अहसास हुआ कि ठोस पदार्थों में आयनिक परिवहन वास्तव में बहुत तेज़ हो सकता है, और इससे कई तरह की नई तकनीकों का जन्म हो सकता है। इसके तुरंत बाद, फोर्ड के शोधकर्ताओं ने दिखाया कि नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर पिघला हुआ सोडियम और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में सल्फर में सोडियम का पिघला हुआ समाधान, सोडियम-संचालन के साथ, पूरी तरह से नई प्रकार की बैटरी का उत्पादन करने के लिए एक अत्यधिक संवाहक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग कर सकता है। बीच में ठोस इलेक्ट्रोलाइट [एन. वेबर और जेटी कुमेर, प्रो. वार्षिक शक्ति स्रोत सम्मेलन। 21, 37 (1967)]।

जैसा कि उम्मीद की जा सकती है, जल्द ही समान लिथियम सिस्टम की संभावना पर विचार किया गया, क्योंकि यह माना गया था कि एक अन्यथा समकक्ष लिथियम सेल को सोडियम सेल की तुलना में उच्च वोल्टेज का उत्पादन करना चाहिए। इसके अलावा, लिथियम में सोडियम की तुलना में कम वजन होता है, एक और फायदा।

एलिमेंटल लिथियम का गलनांक कम होने के कारण इसका उपयोग नहीं किया जा सकता था। इसके बजाय, ठोस लिथियम मिश्र धातु, मुख्य रूप से ली/सी और ली/अल सिस्टम की जांच की गई [ आरए हगिन्स, जे। पावर स्रोत 81-82, 13 (1999)]।

उस समय सकारात्मक इलेक्ट्रोड अभिकारकों के रूप में कई सामग्रियों की जांच की गई, जिनमें से अधिकांश FeS या FeS 2 के उपयोग पर ध्यान दिया गया। लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करने पर, इन सामग्रियों को प्रारंभिक चरणों के गायब होने और नए के गठन के साथ पुनर्गठन प्रतिक्रियाओं से गुजरना पड़ता है [DR Vissers, Z. Tomczuk और RK Steunenberg, J. Electrochem। समाज. 121, 665 (1974)].

लिथियम आयन बैटरी का आविष्कार कब हुआ था?

प्रो. व्हिटिंगम ने ऐसी सामग्रियों में इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरकलेशन की खोज की और 1973 में बैटरी में इलेक्ट्रोड के रूप में ऐसी सामग्री का प्रस्ताव रखा। इस कार्य के परिणामस्वरूप 1976 में एक कार्यशील, रिचार्जेबल बैटरी प्राप्त हुई। सफल सेल एनोड के रूप में लिथियम धातु और कैथोड के रूप में टाइटेनियम सल्फाइड (TiS 2 ) से बना था, लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट ( LiPF 6 ) विलायक के रूप में प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी) में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में। इन आशाजनक अध्ययनों ने व्हिटिंगम को बैटरियों में इलेक्ट्रोड जैसी सामग्रियों में विद्युत रासायनिक अंतर्संबंध का पता लगाने के लिए प्रेरित किया। बाद में 1976 में एक कार्यशील, रिचार्जेबल बैटरी का प्रदर्शन किया गया

[(ए) व्हिटिंगम, एमएस इलेक्ट्रोइंटरकलेशन इन ट्रांजिशन-मेटल डाइसल्फाइड्स। जे रसायन। समाज।, रसायन। कम्युन। 1974, 328-329.] (एक्सॉन रिसर्च एंड इंजीनियरिंग कंपनी के साथ)।
(बी) व्हिटिंगम, एमएस बैटरी और बेस डी चाल्कोगेनर्स। बेल्जियम पेटेंट नं। 819672, 1975.
(सी) व्हिटिंगम, एमएस इलेक्ट्रिकल एनर्जी स्टोरेज और इंटरकलेशन केमिस्ट्री। विज्ञान 1976, 192 (4244), 1126-1127।

लेकिन सफलता अल्पकालिक थी। बार-बार साइकिल चलाने पर, धात्विक लिथियम ने साइकिल चलाने पर धातु की सतह पर डेंड्राइट का निर्माण किया, जिसके परिणामस्वरूप शॉर्ट-सर्किट हुआ।
इस समस्या ने वैकल्पिक समाधानों के लिए एक नई खोज और एक “आयन ट्रांसफर सेल” कॉन्फ़िगरेशन (जिसे “रॉकिंग चेयर” भी कहा जाता है) कोशिकाओं को प्रोत्साहन दिया, जहां दोनों इलेक्ट्रोड आयनों को समायोजित कर सकते हैं, प्रस्तावित किया गया था।
यदि एक सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री में शुरू में लिथियम होता है और पहले चार्ज के दौरान कुछ या सभी लिथियम हटा दिए जाते हैं, तो सेल में क्षमता विकसित होती है। इसलिए, सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री होना संभव है जो लिथियम के साथ लगभग 3V से ऊपर की क्षमता पर प्रतिक्रिया करता है, अगर उनमें पहले से ही लिथियम होता है, और इस लिथियम को इलेक्ट्रो-रासायनिक रूप से निकाला जा सकता है।

लिथियम आयन बैटरी का आविष्कार किसने किया था?

यह दृष्टिकोण, जिसमें उन सामग्रियों का उपयोग शामिल है जिनमें लिथियम पहले से मौजूद है, पहली बार प्रो। गुडएनफ द्वारा प्रदर्शित किया गया था। प्रारंभिक रूप से लिथियम युक्त सामग्री के पहले उदाहरण, और उनसे लिथियम को विद्युत रूप से हटाने के लिए, 1980 में Li1-xCoO2 पर काम किया गया था।
[क। मिजुशिमा, पीसी जोन्स, पीजे वाइसमैन और जेबी गुडएनफ, मेटर। रेस. सांड। 15, 783 (1980)] और Li1−xNiO2
[जेबी गुडएनफ, के. मिजुशिमा और टी. ताकाडा, जेपीएन। जे. एपल. भौतिक. 19 (सप्ल. 19-3), 305 (1980)]

एनोड विकास के समानांतर, बेहतर कैथोड सामग्री की भी मांग की गई ताकि धातु लिथियम की तुलना में उच्च क्षमता वाले एनोड के साथ संयोजन में एक उच्च सेल ईएमएफ प्राप्त किया जा सके। 1979/1980 में एक सफलता तब मिली जब जॉन बी. गुडएनफ और ऑक्सफोर्ड में उनके सहकर्मी
यूनिवर्सिटी, यूके ने पाया कि LixCoO2, टाइप MX2 का एक और इंटरक्लेटेड मेटल चाकोजेनाइड कैथोड सामग्री के रूप में काम कर सकता है।
[गुडेनफ, जेबी; मिजुशिमा, के. फास्ट आयन कंडक्टर। यूएस पेटेंट नं। 4,357,215, 1982]।
[मिजुशिमा, के.; जोन्स, पीसी; वाइसमैन, पीजे; गुडएनफ, जेबी लिक्सकोओ2 (0
उच्च ऊर्जा घनत्व की बैटरियों के लिए कैथोड सामग्री। मेटर। रेस. सांड। 1980, 15 (6), 783-789]।

सामग्री की संरचना ली के समान थीएक्स टीआईएस2 कोबाल्ट डाइऑक्साइड (CoO .) के बीच वैन डेर वाल्स अंतराल के साथ2 ) परतें जिनमें लिथियम आयन बिना अधिक जाली विस्तार के बंधे जा सकते हैं। गुडइनफ ने तर्क दिया कि जब एमएक्स में एक्स2 एक छोटा विद्युत ऋणात्मक तत्व है, जिसके परिणामस्वरूप धनायन अपटेक प्रक्रिया एक बड़े नकारात्मक मुक्त-ऊर्जा परिवर्तन और एक उच्च सेल वोल्टेज (ΔG = -nFE) से जुड़ी होगी। ऑक्सीजन के एक एक्स के साथ, स्थिति को विशेष रूप से आशाजनक माना जाता था, यह भी देखते हुए कि लिथियम आयनों को बंद-पैक ऑक्सीजन सरणी में पर्याप्त रूप से मोबाइल होने का प्रस्ताव दिया गया था।

तर्क सही साबित हुआ, और सीओओ 2 सामग्री ने ली +/ली के सापेक्ष ~ 4 से 5 वी की बहुत अधिक क्षमता दिखाई। इस मामले में इलेक्ट्रोकेमिकल अध्ययन प्रोपलीन कार्बोनेट में लिथियम टेट्राफ्लोरोबोरेट (LiBF4) से बना इलेक्ट्रोलाइट के साथ किया गया था।
इस खोज ने लिथियम धातु की तुलना में उच्च क्षमता वाले एनोड सामग्री के उपयोग को सक्षम किया, जिससे उपयुक्त कार्बनयुक्त सामग्री की खोज को आगे बढ़ाया गया। ग्रेफाइट के इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरकलेशन की समस्या को हल करने की कठिनाई को देखते हुए इसके बजाय अन्य विकल्पों की जांच की गई।

लिथियम आयन बैटरी का आविष्कार कहाँ हुआ था?

1985 में एक सफलता तब मिली जब अकीरा योशिनो (असाही कासी कॉरपोरेशन के) के नेतृत्व में एक जापानी समूह ने वाष्प-चरण-विकसित कार्बन फाइबर (वीजीसीएफ) और बाद में गर्मी-उपचारित पेट्रोलियम कोक की खोज की। बाद की सामग्री को क्रिस्टलीय (ग्रेफाइटिक) और गैर-क्रिस्टलीय डोमेन के मिश्रण के लिए जाना जाता था, और शोधकर्ता विशेष रूप से स्थिर, फिर भी उच्च प्रदर्शन, क्रिस्टलीयता की विशिष्ट डिग्री वाले गुणों की पहचान कर सकते थे।

[अकीरा योशिनो, ली-आयन बैटरी का जन्म, एंजवेन्टे निबंध, एंज्यू।, केम। इंट. एड., 2012 , 51, 5798-5800]

इन प्रभावी एनोड सामग्रियों के साथ, योशिनो ने आयन ट्रांसफर सेल कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर एक कुशल, काम करने वाली लिथियम-आयन बैटरी विकसित की। इस प्रकार पहचाने गए कार्बनयुक्त पदार्थ को एनोड के रूप में इस्तेमाल किया गया था और गुडएनफ की LixCoO2 सामग्री (आमतौर पर टिन की थोड़ी मात्रा युक्त) को कैथोड के रूप में इस्तेमाल किया गया था। पॉलीइथाइलीन या पॉलीप्रोपाइलीन से बनी सेपरेटर परतों का उपयोग किया गया था और इलेक्ट्रोलाइट प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी) में लिथियम परक्लोरेट (LiClO4) से बना था।
योशिनो ने भी 1986 में बैटरी पर भार कम करके इस बैटरी की सुरक्षा साबित की। कोई आग या विस्फोट नहीं हुआ जबकि लिथियम धातु एनोड का उपयोग करने वाली बैटरी ने हिंसक प्रतिक्रिया की।

Figure-xx-Yoshinos-first-safety-tests-with-his-Li-ion-battery-in-1986.jpg

आंकड़ा 8। 1986 में अपनी ली-आयन बैटरी के साथ योशिनो का पहला सुरक्षा परीक्षण।
ए) जिस क्षण लोहे की गांठ बैटरी से टकराती है
बी) टक्कर के बाद प्रोटोटाइप ली-आयन बैटरी
सी) टक्कर के बाद धातु ली एनोड बैटरी
[क्रेडिट: अकीरा योशिनो, ली-आयन बैटरी का जन्म, एंजवेन्टे निबंध, एंज्यू।, केम। इंट. एड., 2012, 51, 5798-5800]

इन खोजों और विकासों ने अंततः एक वाणिज्यिक लिथियम बैटरी जारी की
1991 में। आगे के विकास के साथ, 1991 में सोनी द्वारा ली-आयन बैटरी का व्यावसायीकरण किया गया और 1992 में असाही कासी और तोशिबा के एक संयुक्त उद्यम द्वारा।
[निशि, वाई।, लिथियम आयन माध्यमिक बैटरियों का विकास। रसायन। आरईसी 2001, 1, 406-413]
बैटरी पेट्रोलियम कोक-आधारित एनोड सामग्री, कैथोड के रूप में LixCoO2 और प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी) में लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट (LiPF6) से बना एक पानी मुक्त इलेक्ट्रोलाइट पर आधारित थी। चार्जिंग वोल्टेज उच्च (4.1 V तक) था, जिसमें ~ 80 Wh/kg की विशिष्ट ऊर्जा और ~ 200 Wh/लीटर की ऊर्जा घनत्व दर्ज की गई थी।

उस समय बाजार में मौजूद अन्य बैटरियों की तुलना में, लिथियम बैटरी जल्दी से बहुत प्रतिस्पर्धी हो गई और अनिवार्य रूप से आगामी मोबाइल क्रांति का मार्ग प्रशस्त किया।
लगभग उसी समय, यह पाया गया कि ग्रेफाइट का उपयोग वास्तव में एक उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट संरचना के संयोजन में किया जा सकता है। [फोंग आर, सैकेन यू वॉन, डाहन जेआर, नॉनक्यूअस इलेक्ट्रोकेमिकल सेल का उपयोग करके कार्बन में लिथियम इंटरकलेशन का अध्ययन। जे इलेक्ट्रोकेम। समाज. 1990, 137 (7), 2009-2013]

एथिलीन कार्बोनेट युक्त सॉल्वैंट्स का उपयोग करके, जो अब तक आमतौर पर इसके उच्च गलनांक के कारण अवहेलना करते थे, चार्ज / डिस्चार्ज चक्र के दौरान ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की सतह पर एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (SEI) का गठन किया गया था, जिससे कार्बन सामग्री को छूटने और आगे के अपघटन से बचाया जा सके। . [पेलेड, ई। गैर-बैटरी सिस्टम में क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुओं का विद्युत रासायनिक व्यवहार, ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ मॉडल। जे इलेक्ट्रोकेम। समाज. 1979, 126 (12), 2047-2051।

इस खोज को बैटरी समुदाय द्वारा तेजी से अपनाया गया था, और एनोड सामग्री के रूप में ग्रेफाइट पर आधारित अगली पीढ़ी की लिथियम-आयन बैटरी विकसित की गई थी। इस एनोड सामग्री के साथ, 4.2 V के चार्जिंग वोल्टेज वाली बैटरी जल्द ही तैयार की गईं, जिसके परिणामस्वरूप ~ 400 Wh/लीटर का ऊर्जा घनत्व प्राप्त हुआ।
लिथियम-आयन बैटरी का विकास इन महत्वपूर्ण खोजों के साथ नहीं रुका, लेकिन तब से कई सुधार और विकल्प बताए गए हैं। उदाहरण के लिए, विशिष्ट बैटरी अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए नई कैथोड सामग्री की लगातार पहचान की गई है, और दो ऐसी सामग्री गुडएनफ के समूह से उत्पन्न हुई हैं: स्पिनल सामग्री Li1-xMn2O4 और ओलिवाइन सामग्री LixFePO4 (LFP)।

[पाधी, एके; नंजुंदास्वामी, केएस; गुडइनफ, जेबी फॉस्फो-ओलिवेन्स रिचार्जेबल लिथियम बैटरी के लिए सकारात्मक-इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में। जे इलेक्ट्रोकेम। समाज. 1997, 144, 1188-1194।
ठाकरे, एम.एम.; डेविड, डब्ल्यूआईएफ; ब्रूस, पीजी; मैंगनीज स्पिनल्स में गुडइनफ, जेबी लिथियम इंसर्शन। मेटर। रेस. सांड। 1983, 18, 461-472]।
बाद की सामग्री LixCoO2 की तुलना में कुछ हद तक कम क्षमता बनाम Li +/Li द्वारा सीमित है, लेकिन इसमें उच्च स्थिरता है और इसे उच्च चार्जिंग दरों पर उपयोग किया जा सकता है। कई अन्य इलेक्ट्रोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम भी खोजे गए हैं, जिससे समाज के लाभ के लिए ऊर्जा भंडारण सामग्री में सुधार हुआ है।

इलेक्ट्रिक वाहनों में किस प्रकार की बैटरी का उपयोग किया जाता है?

आजकल, अधिकांश इलेक्ट्रिक वाहन Li-ion बैटरी का उपयोग करते हैं। पहले, नी-एमएच और लेड-एसिड बैटरी का उपयोग किया जाता था, लेकिन ली-आयन बैटरी के आगमन के कारण उनका उपयोग धीरे-धीरे कम हो गया, जिसमें उच्च विशिष्ट ऊर्जा और उच्च ऊर्जा घनत्व मान होते हैं। लेड एसिड बैटरी की विशिष्ट ऊर्जा लगभग 40-50 Wh/kg होती है जबकि Li-ion बैटरी में लगभग 150 Wh/kg होती है। लेड-एसिड बैटरी के लिए ऊर्जा घनत्व मान 80-100 Wh/लीटर है जबकि Li-ion बैटरी को 250 Wh/लीटर से अधिक मिला है।

निकल-कोबाल्ट-एल्यूमीनियम (एनसीए) कैथोड और सिलिकॉन/ग्रेफाइट मिश्रित एनोड वाले बेलनाकार सेल, जैसे कि नवीनतम टेस्ला बैटरी पैक (2019-2020) में उपयोग किए गए, लगभग 270 Wh/kg और 650 Wh/लीटर तक पहुंच गए हैं। सायन पावर द्वारा लाइसेरियन नामक एक नई तकनीक 500 Wh/kg विशिष्ट ऊर्जा और 1000 Wh/L ऊर्जा घनत्व का दावा करती है और> 0.4 आह विकास कोशिकाओं में 450 चक्र।
छोटी बैटरी के लिए, हम Wh के संदर्भ में बोलते हैं। उच्च क्षमता प्रणालियों के लिए, kWh इकाई का उपयोग किया जाता है। Wh मान को 103 से भाग देने पर kWh मिलेगा।
इस प्रकार 850 Wh = 850/1000 = 0.850 kWh।

आज की ईवी बैटरी में प्रयुक्त सेल 140 -170 Wh/kg की नाममात्र विशिष्ट ऊर्जा तक पहुंच सकते हैं। परिणामी बैटरी पैक की विशिष्ट ऊर्जा आमतौर पर 30 से 40 प्रतिशत कम या 80 -120 Wh/kg होती है। कमी कई श्रृंखलाओं और समानांतर कनेक्टिंग लीड्स, बीएमएस और थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम (कूलिंग या हीटिंग) के कारण है। 2019 में नॉन-सेल कंपोनेंट्स का पैक प्रतिशत घटकर लगभग 28% रह गया है।

अब तक, कोशिकाओं को पहले मॉड्यूल में रखा जाता था और फिर पैक में रखा जाता था। दोनों कंटेम्परेरी एम्पीयरेक्स टेक्नोलॉजी कंपनी. लिमिटेड, चीन ( सीएटीएल) और टेस्ला ने फैसला किया है कि वे मॉड्यूल से छुटकारा पाना चाहते हैं और कोशिकाओं को सीधे पैक में रखना चाहते हैं। CATL पहले ही ऐसा कर चुकी है और इसे सेल-टू-पैक तकनीक कहती है। हालांकि इसके बारे में जानकारी दुर्लभ है, कंपनी का दावा है कि यह विशिष्ट ऊर्जा को 10-15% तक बढ़ा सकता है और वॉल्यूम उपयोग में 15-20% तक सुधार कर सकता है। कुल मिलाकर, यह कथित तौर पर बैटरी पैक के लिए आवश्यक भागों को 40% तक कम कर सकता है। [https://cleantechnica.com/2020/02/18/how-catl-lithium-iron-phosphate-batteries-could-be-leading-to-100-kwh-tesla-model-3/]

लिथियम बैटरी का पदनाम

अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन (आईईसी) और भारतीय मानक संस्थान ने लिथियम-आयन कोशिकाओं के रसायन विज्ञान और आकार का वर्णन करने के लिए एक सामान्य पदनाम स्थापित किया है।

[ पोर्टेबल अनुप्रयोगों के लिए माध्यमिक लिथियम सेल और बैटरी, अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन, आईईसी 61960-1 और आईईसी 61960-2 और आईएस 16047: 2012 ]।

अक्षर रसायन विज्ञान और रूप कारक को निर्दिष्ट करते हैं जबकि संख्याएँ कोशिका के भौतिक आयामों को निर्दिष्ट करती हैं। पहला अक्षर सामान्य रसायन शास्त्र का वर्णन करता है, दूसरा अक्षर विशिष्ट कैथोड रसायन शास्त्र को निर्दिष्ट करता है और तीसरा अक्षर आकार को निर्दिष्ट करता है।

पहला अक्षर: I – लिथियम-आयन केमिस्ट्री

दूसरा अक्षर: सी-कोबाल्ट, एफ-आयरन, एफपी-आयरन फॉस्फेट, एन-निकेल, एम-मैंगनीज, एमपी-मैंगनीज फॉस्फेट, टी-टाइटेनियम, वी-वैनेडियम और एक्स- अन्य।

तीसरा अक्षर: R- बेलनाकार, P-प्रिज्मीय

पहले दो नंबर जो अनुसरण करते हैं वे मिमी में व्यास को निर्दिष्ट करते हैं और अंतिम तीन मिमी के दसवें हिस्से में ऊंचाई को नामित करते हैं। इस प्रकार ICR19/66 नामित सेल एक लिथियम आयन सेल है जिसमें कोबाल्ट कैथोड होता है जिसका व्यास होता है> 18 मिमी और ≤ 19 मिमी और अधिकतम समग्र ऊंचाई जो है> 65 मिमी और 66 मिमी।

प्रिज्मीय कोशिकाओं के लिए प्रारंभिक अक्षरों का एक ही अर्थ होता है लेकिन पहले दो नंबर मिमी में चौड़ाई निर्दिष्ट करते हैं, अगले दो नंबर मिमी में ऊंचाई और अंतिम दो संख्या मिमी में लंबाई होती है। इस प्रकार, एक सेल पदनाम IMP9/35/150 एक मैंगनीज कैथोड सेल के साथ एक प्रिज्मीय लिथियम आयन सेल का वर्णन करता है जिसकी अधिकतम मोटाई है > 8 मिमी और 9 मिमी और अधिकतम चौड़ाई जो है > 34 मिमी और 35 मिमी और अधिकतम समग्र ऊंचाई जो है > 149 मिमी और 150 मिमी।

लिथियम-आयन बैटरी कैसे काम करती है?

लिथियम आयन बैटरी कैसे बनती है

परमाणु संख्या 3 के साथ लिथियम धातु, 0.534 ग्राम / सीसी का घनत्व, बहुत कम मानक कमी क्षमता (ली + / ली युगल -3.05 वी बनाम एसएचई) और सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 3860 आह / किग्रा (2061 एमएएच / सीसी) है सबसे हल्का वजन, उच्चतम वोल्टेज, और सभी धातुओं का सबसे बड़ा ऊर्जा घनत्व। (परमाणु क्रमांक 82, घनत्व 11.29 ग्राम/सीसी, सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 257.8 आह/किलोग्राम और मानक कमी क्षमता -0.35 वी बनाम एसएचई के साथ तुलना करें)।

लिथियम आयन बैटरी - सक्रिय सामग्री

सकारात्मक इलेक्ट्रोड की सक्रिय सामग्री मिश्रित ऑक्साइड जैसे LiCoO2 या LiMnO2 या LiFePO4 में से कोई एक है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड मुख्य रूप से ग्रेफाइट और अनाकार कार्बन यौगिक हैं। एक कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट (एक अलग लिथियम युक्त नमक जैसे LIPF6 युक्त) का उपयोग किया जाता है। एक पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) या पॉलीथीन (पीई) या मिश्रित विभाजक का उपयोग किया जाता है। लिथियम आयन चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम आयन बैटरी के इलेक्ट्रोड के बीच आगे और पीछे माइग्रेट करते हैं और नीचे वर्णित सक्रिय सामग्री में शामिल हो जाते हैं:

Figure-1.-An-exploded-view-of-a-Li-ion-cell.jpg

चित्र 9. लिथियम आयन सेल का एक विस्फोटित दृश्य

श्रेय: झांग जेड., रामदास पी. (2012) लिथियम-आयन बैटरी सिस्टम्स एंड टेक्नोलॉजी। इन: मेयर्स आरए (एड्स) इनसाइक्लोपीडिया ऑफ सस्टेनेबिलिटी साइंस एंड टेक्नोलॉजी। स्प्रिंगर, न्यूयॉर्क, एनवाई, पीपी 6124। http s://doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663

लिथियम आयन बैटरी कैसे चार्ज होती है

लिथियम आयन सेल (LIB) में डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान एनोड से लिथियम आयनों को इलेक्ट्रोलाइट में डी-इंटरकलेटेड (या एक्सट्रेक्ट) किया जाता है और इलेक्ट्रोलाइट से इन लिथियम आयनों को कैथोड सामग्री में इंटरकलेटेड किया जाता है। एनोड से कैथोड तक आयनों की यह गति इलेक्ट्रॉनों की रिहाई के साथ होती है जो बाहरी सर्किट में बहती है। रिवर्स प्रक्रिया चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान होती है जहां लिथियम आयन कैथोड से चले जाते हैं और इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड में जुड़ जाते हैं । वाणिज्यिक एलआईबी आमतौर पर कैथोड सामग्री के रूप में लीकोओ 2 , लीएमएन 24 , और लीफियो 4 जैसे संक्रमण धातु ऑक्साइड का उपयोग करते हैं, जो एक एल्यूमीनियम वर्तमान संग्राहक पर लेपित होता है।

इलेक्ट्रॉनिक चालकता को बढ़ाने और इलेक्ट्रोड सामग्री के बेहतर आसंजन को प्राप्त करने के लिए क्रमशः सक्रिय सामग्री के साथ दस से बीस प्रतिशत प्रवाहकीय कार्बन और पॉलीविनाइलिडीन डिफ्लुओराइड (पीवीडीएफ) और %–10% (पीटीएफई) जैसे पॉलिमरिक बाइंडरों को भी जोड़ा जाता है। यदि आवश्यक हो तो कार्बन और पीवीडीएफ के संचालन के साथ एनोड सामग्री को तांबे के वर्तमान कलेक्टर पर लेपित किया जाता है।

दो इलेक्ट्रोड को एक इलेक्ट्रोलाइट समाधान (एक कार्बनिक विलायक में LiPF6) में भिगोकर एक झरझरा विभाजक (पॉलीइथाइलीन या पॉलीप्रोपाइलीन मोटाई 10–20 माइक्रोन की फिल्म) द्वारा अलग किया जाता है। विभाजक और इलेक्ट्रोलाइट समाधान दोनों में बेहतर आयनिक चालकता होनी चाहिए। सेल आमतौर पर दो इलेक्ट्रोड के बीच में एक इलेक्ट्रोलाइट-डुबकी विभाजक के साथ जेलीरोल फैशन में धातु के आवरण में बना होता है। एक एलआईबी का एक योजनाबद्ध आंकड़ों में दिखाया गया है, जहां विशिष्ट चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रियाएं दिखाई जाती हैं।

लिथियम-आयन (ली-आयन) रिचार्जेबल बैटरी लिथियम आयनों (ली + ) (अतिथि प्रजातियों) के एक प्रतिवर्ती सम्मिलन / निष्कर्षण को एक मेजबान मैट्रिक्स (सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री) से या लिथियम सम्मिलन यौगिकों के रूप में डिस्चार्ज और चार्ज करते समय नियोजित करती है। प्रक्रियाएं होती हैं। लिथियम आयन बैटरी को रॉकिंग चेयर बैटरी के रूप में संदर्भित किया गया है क्योंकि लिथियम आयन सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच “रॉक” करते हैं क्योंकि सेल चार्ज और डिस्चार्ज होता है।

सकारात्मक सक्रिय सामग्री आम तौर पर एक स्तरित संरचना वाला धातु ऑक्साइड होता है, जैसे लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (लीकोओ 2 ), या एक सुरंग वाली संरचना वाली सामग्री, जैसे लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (लीएमएन 24 ) , ज्यादातर एल्यूमीनियम वर्तमान कलेक्टर पर . नकारात्मक सक्रिय सामग्री आमतौर पर एक ग्रेफाइटिक कार्बन होती है, जो एक स्तरित सामग्री भी होती है, जो ज्यादातर तांबे के वर्तमान संग्राहक पर होती है। चार्ज-डिस्चार्ज प्रक्रिया में, लिथियम आयनों को सक्रिय सामग्री की परमाणु परतों के बीच अंतरालीय स्थान से डाला या निकाला जाता है।

लिथियम कोशिकाओं में गैर-जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स या कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया जाता है।

लिथियम-आयन बैटरी के लिए सेपरेटर पॉलीओलेफ़िन माइक्रोपोरस फिल्म पॉलीइथाइलीन (पीई) और पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) हैं।

चित्र-xx.-निर्वहन-तंत्र-इन-ए-ली-आयन-सेल.jpg
चित्र 10. लिथियम आयन सेल में निर्वहन तंत्र (पीजी बालकृष्णन द्वारा चित्र)
Figure-xx-Charge-mechanism-in-a-Li-ion-cell.jpg

लिथियम आयन बैटरी में इलेक्ट्रोकेमिकल सेल प्रतिक्रियाएं

एक विशिष्ट लिथियम आयन सेल में, निम्नलिखित सामान्य प्रतिक्रियाएं होती हैं।

सकारात्मक इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया:

लीमो 2 ⇔ ली 1-एक्स एमओ 2 + एक्स ली + + एक्सई

नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया:

सी + वाई ली + + ये ⇔ ली वाई सी

कुल सेल प्रतिक्रिया:

लीमो 2 + एक्स/वाई सी ⇔ एक्स/वाई ली वाई सी + ली 1-एक्स एमओ 2

M = धातुएँ जैसे Co, Mn, Ni, Ti, आदि।

आम तौर पर x लगभग 0.5 होता है और y लगभग 0.16 होता है, इसलिए x/y लगभग 3 . होता है. [जेफ डैन और ग्रांट एम। एर्लिच। “लिथियम आयन बैटरी”, लिंडन की बैटरियों की हैंडबुक, चौथा संस्करण, थॉमस बी रेड्डी (सं.), मैकग्रा

इलेक्ट्रोलाइट और सॉलिड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (एसईआई)

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, लिथियम कोशिकाओं में गैर-जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स या कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया जाता है। ली-सेल अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज पर काम करते हैं, प्रति सेल 4.2 वी तक। हालांकि भारी लिथियम लवण जैसे लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट (LiPF6), लिथियम हेक्साफ्लोरो आर्सेनेट (LiAsF6), लिथियम टेट्राफ्लोरोबोरेट (LiBF4), लिथियम परक्लोरेट (LiClO4), लिथियम ट्राइफ्लोरोमेथेनसल्फोनेट (LiCF3SO3), लिथियम डिफ्लुओरो (ऑक्सालेट) बोरेट (LIODFB) आदि। , वास्तविक इलेक्ट्रोलाइट्स (इलेक्ट्रोलाइट लवण को बनाए रखने वाले) हैं, उन्हें ऐसे उच्च वोल्टेज पर स्थिर उपयुक्त सॉल्वैंट्स की आवश्यकता होती है। ऐसे अधिकांश सॉल्वैंट्स में उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक होता है, जिससे आसान आयनिक पृथक्करण और अत्यधिक केंद्रित ली-आयनों का अस्तित्व होता है। इस तरह के सॉल्वैंट्स ली आयनों के स्थिर अस्तित्व के लिए सॉल्वैंट्स म्यान के रूप में भी काम करते हैं, इस प्रकार काउंटर आयनों के प्रभाव को कम करते हैं।

उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक होने का नुकसान यह है कि उनके पास उच्च चिपचिपापन मूल्य होता है जिसके परिणामस्वरूप आयनों की बिगड़ा गतिशीलता होती है। कम आयनिक चालकता को दूर करने के लिए, कम चिपचिपा सॉल्वैंट्स आमतौर पर उच्च चिपचिपा सॉल्वैंट्स के साथ मिश्रित होते हैं। लेकिन, चूंकि कम-चिपचिपे सॉल्वैंट्स में आयनिक पृथक्करण कम होता है, इसलिए एक इष्टतम मिश्रण अनुपात पर प्रहार करना अनिवार्य हो जाता है ताकि मिश्रण में अच्छी आयनिक चालकता और अच्छी गतिशीलता दोनों हो। गैर-जलीय सॉल्वैंट्स के रूप में, एथिलीन कार्बोनेट (ईसी) के मिश्रण को कम चिपचिपा रैखिक अल्काइल कार्बोनेट जैसे डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी), डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी), और एथिल मिथाइल कार्बोनेट (ईएमसी) के साथ व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एलआईबी में उपयोग किया जाता है।

एप्रोटिक सॉल्वैंट्स ईथर, एस्टर और अल्काइल कार्बोनेट हैं: वे डायथाइल ईथर (डीईई), टेट्राहाइड्रोफुरान (टीएचएफ), डाइऑक्साइलेन, एथिलीन कार्बोनेट (ईसी), प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी), डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी), डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी) हैं। एथिल मिथाइल कार्बोनेट (ईएमसी), मिथाइल फॉर्मेट, -ब्यूट्रोलैक्टोन (बीएल), मिथाइल एसीटेट, एसीटोनिट्राइल (एएन), डाइमिथाइल सल्फोऑक्साइड (डीएमएसओ), डाइमिथाइलफॉर्मामाइड (डीएमएफ), मिथाइल क्लोराइड, नाइट्रोमेथेन आदि)

तरल इलेक्ट्रोलाइट्स एक या अधिक कार्बनिक सॉल्वैंट्स में लिथियम नमक के समाधान होते हैं, आमतौर पर कार्बोनेट्स

प्रोपीलीन कार्बोनेट (पीसी) को इलेक्ट्रोलाइट के रूप में इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है अगर ग्रेफाइट को एनोड के रूप में इस्तेमाल किया जाना है, क्योंकि पूर्व ग्रेफाइट सतह पर विघटित होता है; पीसी अकेले उपयोग किया जाता है, ईसी के बिना या LiBOB के छोटे परिवर्धन) Li bisoxalato borate), ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड में गिरावट का कारण बन सकता है क्योंकि यह लिथियम के साथ सह-संयोजन करता है, जिसके परिणामस्वरूप छूटना होता है।

इलेक्ट्रोलाइट अपरिवर्तनीय है (आयनों की संख्या उतनी ही प्रवेश करती है जितनी चार्ज के दौरान इलेक्ट्रोलाइट छोड़ते हैं और

निर्वहन)। इलेक्ट्रोलाइट नमक आमतौर पर कार्बनिक कार्बोनेट सॉल्वैंट्स में घुल जाता है। प्रत्येक निर्माता के पास सॉल्वैंट्स का एक अलग संयोजन होता है जिसमें एथिलीन कार्बोनेट (ईसी) अधिकांश के लिए एक सामान्य भाजक होता है

सॉलिड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (SEI) परत का निर्माण इलेक्ट्रोलाइट्स द्वारा किया जाने वाला एक अन्य महत्वपूर्ण कार्य है। जब एक क्षार धातु को बैटरी इलेक्ट्रोलाइट में डुबोया जाता है, या जब कार्बन या इलेक्ट्रोलाइट में डूबे एक निष्क्रिय इलेक्ट्रोड पर एक नकारात्मक क्षमता लागू होती है, तो एक एसईआई बनना शुरू हो जाता है।

समाधान के साथ धातु के संपर्क पर तत्काल गठित एसईआई परत में इलेक्ट्रोलाइट घटकों के अघुलनशील और आंशिक रूप से घुलनशील कमी वाले उत्पाद होते हैं। SEI एक प्रमुख कारक है जो बैटरी की सुरक्षा, शक्ति क्षमता, लिथियम जमा की आकृति विज्ञान, शेल्फ जीवन और चक्र जीवन को निर्धारित करता है। एनोड के साथ अच्छा आसंजन भी महत्वपूर्ण है।

जैसा कि ऊपर जोर दिया गया है, व्यावहारिक प्राथमिक या माध्यमिक क्षारीय या क्षारीय-पृथ्वी बैटरी का निर्माण तभी किया जा सकता है जब एनोड के विघटन या क्षरण को रोका जा सके। इसलिए, इलेक्ट्रोलाइट को कम से कम एक एसईआई अग्रदूत को शामिल करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए जो एक अघुलनशील ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरपेज़ बनाने के लिए लिथियम (या क्षार-धातु एनोड के साथ) के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करता है। नमक आयनों की कमी के उत्पाद आमतौर पर LiF, LiCl और Li 2 O जैसे अकार्बनिक यौगिक होते हैं, जो इलेक्ट्रोड सतह पर अवक्षेपित होते हैं। विलायक की कमी के बाद ली 2 सीओ 3 और आंशिक रूप से घुलनशील अर्ध कार्बोनेट और पॉलिमर जैसे अघुलनशील एसईआई घटकों का निर्माण होता है।

कार्बन इलेक्ट्रोड के मामले में, जिस वोल्टेज पर एसईआई बनता है, वह कार्बन के प्रकार, इसकी सतह के उत्प्रेरक गुणों (राख सामग्री, क्रिस्टलोग्राफिक विमान का प्रकार, बेसल-टू-एज प्लेन अनुपात), तापमान पर निर्भर करता है। एकाग्रता और सॉल्वैंट्स, लवण और अशुद्धियों के प्रकार, और वर्तमान घनत्व पर। लिथियम-आयन बैटरी के पहले चार्ज पर, “अपरिवर्तनीय क्षमता हानि” (क्यू आईआर ) नामक क्षमता का नुकसान होता है, जो मुख्य रूप से एसईआई के गठन के लिए आवश्यक होता है।

एसईआई के गठन के अलावा, क्यू आईआर घुलनशील कमी उत्पादों (क्यू एसपी ) के गठन से जुड़े क्षमता हानि के कारण हो सकता है।

बैटरी के लंबे चक्र जीवन के लिए संदूषण मुक्त SEI आवश्यक है। साइकिल चलाने के दौरान उच्च दरों पर और डिस्चार्ज की अधिक गहराई पर यह और भी महत्वपूर्ण हो जाता है।
लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट (LiPF6) और लिथियम हेक्साफ्लोरोआर्सेनेट (LiAsF6) समाधानों में SEI में अन्य लवणों के घोल की तुलना में अधिक प्रतिरोधकता होती है। यह प्रतिरोधकता परिवर्तनों के कारण है जो प्रजाति-नियंत्रित प्रतिरोध में योगदान करते हैं जो LiPF6 और LiAsF6 इलेक्ट्रोलाइट्स में लिथियम एनोड के उच्च इंटरफेसियल प्रतिबाधा की ओर ले जाते हैं। इसके अलावा, Li2CO3 को लिथियम-साइक्लिंग दक्षता [J Electrochem Soc.,164 (7) A1703-A1719 (2017)] को बढ़ाने के लिए सबसे अच्छे निष्क्रिय एजेंटों में से एक बताया गया है।

लिथियम-आयन बैटरी के लिए विभाजक

लिथियम-आयन बैटरियों के लिए सेपरेटर पॉलीओलेफिन माइक्रोप्रोसेसर फिल्में हैं और आम तौर पर एकतरफा रूप से खींची गई पॉलीइथाइलीन (पीई) और पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी), द्विअक्षीय रूप से खींची गई पीई या बहुअक्षीय रूप से खींची गई पीपी / पीई / पीपी हैं।

लिथियम आयन बैटरी में सक्रिय सामग्री के लिए कच्चा माल

लिथियम आयन बैटरी विभिन्न कैथोड सामग्री का उपयोग करती हैं। टाइटेनियम-नाइओबियम ऑक्साइड एनोड, ली-सी मिश्र धातु आदि जैसे कुछ को छोड़कर, एनोड हमेशा कार्बन आधारित होता है। निम्नलिखित तालिका और आकृति इन बैटरियों में कार्यरत विभिन्न रसायन शास्त्रों के बारे में कुछ विचार देती है।

Figure-xx-A-summary-of-some-present-and-future-electrode-chemistry-options-for-Li-ion-batteries.jpg

चित्र 12. लिथियम आयन बैटरी के लिए कुछ वर्तमान और भविष्य के इलेक्ट्रोड रसायन विकल्पों का सारांश। ली (सी) की प्रस्तावित क्षमता सामग्री की सैद्धांतिक क्षमता का 50% है, कुछ सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के मामले के समान

[क्रेडिट: यू मियाओ, पैट्रिक हाइनन, एनेट वॉन जौन, और अलेक्जेंड्रे योकोची, एनर्जी 2019, 12, 1074; दोई:10.3390/hi12061074]

तालिका नंबर एक।

विभिन्न कैथोड सामग्री के साथ लिथियम आयन कोशिकाओं के लक्षण

कैथोड सामग्री ली-नी-को-अल (एनसीए) ली-नी-एमएन-को (एनएमसी) ली-एमएनओ 2 (एलएमओ) ली-आयरन फॉस्फेट (एलएफपी) ली टाइटेनेट (एलटीओ) ली कोबाल्ट ऑक्साइड (एलसीओ)
सेल का नाममात्र वोल्टेज (वी) 3.6 3.65 (2.7-4.2) 3.8 3.25 (2-3.6) 3.2 3.6
सैद्धांतिक विशिष्ट ऊर्जा (Wh/kg) 279 256 148 128 (373) 293 (175) 274 (370) (एक्स = 0.5)
कैथोड के लिए विशिष्ट क्षमता (आह/किग्रा) क्षमता बनाम ली/ली+ (वी) 180-200 (3.8) 200 148 (4.1) 150-170 (3.45) 175 274 (3.9) (x=0.5)
कैथोड के लिए विशिष्ट ऊर्जा (Wh/Kg) 680-760 610-680 410-492 548 518-587 544 -- 546
सुरक्षा सुरक्षित उदारवादी सुरक्षित उच्च आप बहुत अ उदारवादी

लिथियम आयन बैटरी में कैथोड सामग्री

कैथोड सामग्री को कई आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए जिस पर सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री का चयन निर्भर करता है।

  • उच्च क्षमता प्रदान करने के लिए, इन सामग्रियों में बड़ी मात्रा में लिथियम शामिल होना चाहिए।
  • इसके अलावा, सामग्री को लंबे चक्र जीवन, उच्च एम्पीयर घंटे दक्षता और उच्च ऊर्जा दक्षता की अनुमति देने के लिए थोड़ा संरचनात्मक परिवर्तन के साथ उलटा होना चाहिए।
  • उच्च सेल वोल्टेज और उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने के लिए, लिथियम विनिमय प्रतिक्रिया लिथियम के सापेक्ष उच्च क्षमता पर होनी चाहिए।
  • उच्च दर चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रियाओं को सुविधाजनक बनाने के लिए, सामग्री में इलेक्ट्रॉनिक चालकता और लिथियम आयन गतिशीलता उच्च होनी चाहिए।
  • सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री इलेक्ट्रोलाइट में भंग नहीं होनी चाहिए और सस्ती कीमत पर उपलब्ध होनी चाहिए। लागत को कम करने के लिए, कम लागत वाली प्रक्रिया में सस्ती सामग्री से तैयारी को प्राथमिकता दी जाती है

LiFePO 4 इस नियम का अपवाद है। LiFePO 4 में, नैनोमीटर कण आकार वाले इलेक्ट्रोड कणों के उपयोग से पर्याप्त लिथियम आयन परिवहन प्राप्त किया जाता है। [जेफ डैन और ग्रांट एम। एर्लिच। “लिथियम आयन बैटरी”, लिंडेन की बैटरियों की हैंडबुक, चौथा संस्करण, थॉमस बी रेड्डी (सं.), मैकग्रा हिल, पीपी। 26.6, 2011]

लिथियम आयन कोशिकाओं में सकारात्मक सक्रिय सामग्री (PAM) निर्माता के आधार पर भिन्न होती है। कैथोड सामग्री को तीन व्यापक श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है [ अरुमुगम मंथिराम, नेचर कम्युनिकेशंस (2020) 11:1550]। वे:

स्तरित ऑक्साइड - लिथियम आयन बैटरी में कैथोड सामग्री

सामान्य प्रकार के लीमो 2 (जहां एम = वैनेडियम, क्रोमियम, कोबाल्ट और निकल) के कई ऑक्साइड एक स्तरित संरचना में क्रिस्टलीकृत होते हैं जिसमें ली + और एम 3+ आयन एक परत अनुक्रम देने के लिए वैकल्पिक [सेंधा नमक संरचना के लेन पर कब्जा कर लेते हैं ओ-ली-ओएमओ।

स्तरित ऑक्साइड कैथोड LiCoO 2 में, Li + और त्रिसंयोजक Co 3+ आयनों के बीच बड़े आवेश और आकार के अंतर से अच्छा धनायन क्रम होता है, जो लिथियम विमान में तेजी से द्वि-आयामी लिथियम-आयन प्रसार और चालकता का समर्थन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

कैथोड सामग्री को अत्यधिक उच्च शुद्धता स्तर की आवश्यकता होती है और यह लगभग पूरी तरह से अवांछित धातु अशुद्धियों से मुक्त होना चाहिए – विशेष रूप से लोहा, वैनेडियम और सल्फर।

Figure-xx-Simplified-schematic-of-a-layered-structure-in-which-there-is-alternate-occupation-of-the.jpg

चित्र 13. एक स्तरित संरचना का सरलीकृत योजनाबद्ध जिसमें का वैकल्पिक व्यवसाय होता है

क्लोज-पैक ऑक्साइड आयन परतों के बीच कटियन परतें।

[क्रेडिट: रॉबर्ट ए हगिन्स, एडवांस्ड बैटरीज, मैटेरियल्स साइंस एस्पेक्ट्स, स्प्रिंगर, न्यूयॉर्क, 2009, पृष्ठ.168]

उच्च विद्युत और लिथियम-आयन चालकता के साथ अच्छी संरचनात्मक स्थिरता अच्छी प्रतिवर्तीता के साथ तेजी से चार्ज-डिस्चार्ज विशेषताओं की पेशकश करती है। इन विशेषताओं के साथ, LiCoO2 ~ 4 V के उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज के साथ अब तक के सबसे अच्छे कैथोड में से एक है। LiCoO2 कैथोड हल हो गया है
1970 के दशक में सल्फाइड कैथोड से जुड़ी दो प्रमुख चुनौतियाँ। इसने न केवल ऑपरेटिंग वोल्टेज में पर्याप्त वृद्धि को सक्षम किया< 2.5 वी से ~ 4 वी लेकिन एक धातु लिथियम एनोड को नियोजित करने की आवश्यकता के बिना एक सेल की असेंबली भी।

स्पिनल ऑक्साइड - लिथियम आयन बैटरी में कैथोड सामग्री

कैथोड का दूसरा वर्ग स्पिनल LiMn 2 O 4 है। (सामान्य सूत्र एबी 24 है)। यद्यपि इस संरचना को आम तौर पर घन निर्देशांक में चित्रित किया जाता है, इसमें (111) विमानों पर ऑक्साइड आयनों की समानांतर परतें भी होती हैं, और ऑक्साइड आयन विमानों के बीच ऑक्टाहेड्रली समन्वित साइट और टेट्राहेड्रली समन्वित साइट दोनों होते हैं। अष्टफलकीय स्थलों की संख्या ऑक्साइड आयनों की संख्या के बराबर होती है, लेकिन चतुष्फलकीय स्थलों की संख्या दुगुनी होती है। त्रि-आयामी संरचनात्मक स्थिरता और उच्च विद्युत और लिथियम-आयन चालकता ली 1 x एमएन 24 के लिए लीकोओ 2 की तुलना में अच्छी प्रतिवर्तीता के साथ और भी तेज चार्ज-डिस्चार्ज विशेषताओं की पेशकश करती है।

LiCoO 2 से LiMn 2 O 4 में जाने पर एक महत्वपूर्ण लाभ लागत में महत्वपूर्ण कमी है क्योंकि मैंगनीज Co की तुलना में लागत में कम परिमाण के दो आदेश हैं। हालांकि, लीएमएन 24 के साथ एक महत्वपूर्ण मुद्दा एमएन 3 के प्रसिद्ध अनुपात के कारण इलेक्ट्रोलाइट में एच + आयनों (अम्लता) की ट्रेस मात्रा (पीपीएम स्तर) की उपस्थिति में जाली से इलेक्ट्रोलाइट में मैंगनीज का विघटन है। + से एमएन 4+ और एमएन 2+ एसिड में।

Figure-xx-Schematic-of-the-spinel-structure-in-which-the-cations-are-distributed-between-the-close-packed.jpg

चित्र 14. स्पिनल संरचना का योजनाबद्ध जिसमें टेट्राहेड्रल और ऑक्टाहेड्रल साइटों के बीच ऑक्साइड आयनों के क्लोज-पैक (111) विमानों के बीच उद्धरण वितरित किए जाते हैं [ क्रेडिट: रॉबर्ट ए। हगिन्स, उन्नत बैटरी, सामग्री विज्ञान पहलू, स्प्रिंगर, न्यूयॉर्क, 200 9, पृष्ठ 17]।

उच्च वोल्टेज लिथियम-निकेल-मैंगनीज ऑक्साइड (एलएनएमओ) कैथोड सामग्री अगली पीढ़ी की बैटरी में आशाजनक प्रतीत होती है। लेकिन सबसे बड़ी बाधा एक इलेक्ट्रोलाइट की कमी है जो एलएनएमओ-आधारित बैटरी के तनाव को संभाल सकता है। एलएनएमओ कैथोड आधारित बैटरी सेल अन्य उच्च-प्रदर्शन लिथियम आधारित बैटरी के समान परिणाम देते हैं, लेकिन काफी कम लागत पर।

हालांकि, इलेक्ट्रोलाइट निर्माताओं को चल रहे अनुसंधान और विकास से बहुत ही आशाजनक परिणाम मिल रहे हैं, जो किसी बिंदु पर, इलेक्ट्रोलाइट्स में परिणाम देंगे जो एलएनएमओ बैटरी सेल में अच्छी तरह से काम करेंगे। https://blog.topsoe.com/the-cathode-material-for-next-generation-lithium-ion-batteries-is-ready

हाल ही में, NMC कैथोड में Ni सामग्री को बढ़ाना और कोबाल्ट सामग्री को कम करना या समाप्त करना बहुत अधिक प्रमुख होता जा रहा है [ Li, W., Erickson., E. & Manthiram, A. लिथियम-आधारित ऑटोमोटिव बैटरी के लिए उच्च-निकल स्तरित ऑक्साइड कैथोड , नेट. ऊर्जा 5, 26 24 (2020)]।

पॉली-आयन ऑक्साइड - लिथियम आयन बैटरी में कैथोड सामग्री

ऑक्साइड का तीसरा वर्ग पॉलीअन ऑक्साइड है। Fe 2 (MoO 4 ) 3 और Fe 2 (WO 4 ) 3 जैसे पॉलीअन ऑक्साइड Li 2 Fe 2 (MoO 4 ) 3 या Li 2 Fe 2 देने के लिए प्रति सूत्र इकाई में दो लिथियम आयनों के प्रतिवर्ती सम्मिलन / निष्कर्षण से गुजरते पाए गए। WO 4 ) 3 रासायनिक और विद्युत रासायनिक दोनों तरीकों से

[मंथिराम, ए., गुडएनफ, जेबी लीथियम इनसर्शन इन Fe 2 (MO 4 ) 3 फ्रेमवर्क: M = W की तुलना M = Mo से। जे सॉलिड स्टेट केम। 71, 349 360 (1987)]।

मंथिराम और गुडइनफ के कार्यों के आधार पर,

[मंथीराम, ए. और गुडएनफ, जेबी लिथियम इनसर्शन इन फे 2 (एमओ 4 ) 3 फ्रेमवर्क: एम = डब्ल्यू की तुलना एम = मो के साथ। जे सॉलिड स्टेट केम। 71, 349-360 (1987)। मंथिराम, ए. एंड गुडइनफ, जेबी लीथियम को Fe 2 (SO 4 ) 3 फ्रेमवर्क में सम्मिलित करना। जे. पावर स्रोत 26, 403–406 (1989)।]

कैथोड के रूप में लिथियम युक्त फॉस्फेट की खोज ने कैथोड के रूप में ओलिवाइन LiFePO 4 की पहचान की [पाधी, एके, नानजुंडास्वामी, केएस और गुडएनफ, जेबी फॉस्फो-ओलिवाइन्स रिचार्जेबल लिथियम बैटरी के लिए सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में। जे इलेक्ट्रोकेम। समाज. 144, 1188-1194 (1997) 1997 में।

लेकिन, पॉलीअन ऑक्साइड वर्ग खराब इलेक्ट्रॉनिक चालकता से ग्रस्त है। [ अरुमुगम मंथिराम, नेचर कम्युनिकेशंस (2020) 11:1550]।

कैथोड के रूप में लिथियम युक्त फॉस्फेट की खोज ने कैथोड के रूप में ओलिवाइन LiFePO 4 की पहचान की [पाधी, एके, नानजुंडास्वामी, केएस और गुडएनफ, जेबी फॉस्फो-ओलिवाइन्स रिचार्जेबल लिथियम बैटरी के लिए सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में। जे इलेक्ट्रोकेम। समाज. 144, 1188-1194 (1997) 1997 में।

लेकिन, पॉलीअन ऑक्साइड वर्ग खराब इलेक्ट्रॉनिक चालकता से ग्रस्त है। [ अरुमुगम मंथिराम, नेचर कम्युनिकेशंस (2020) 11:1550]।

कैथोड सामग्री का निर्माण - लिथियम आयन बैटरी

इससे पहले, लिथियम धातु ऑक्साइड कैथोड यौगिकों को समाधान में किए गए रासायनिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से लिथियम कार्बोनेट और चुने हुए धातु के नमक से बनाया गया था। वांछित उत्पाद अवक्षेपित और स्प्रे-सूखा है।

LiCoO 2 को पहले चित्र में दर्शाई गई पारंपरिक संश्लेषण विधि द्वारा तैयार किया गया था ट्राईकोबाल्ट टेट्राऑक्साइड (Co 3 0 4 ) और लिथियम कार्बोनेट (Li 2 CO 3 ) को अच्छी तरह मिलाया गया, इसके बाद लगभग 950ºC के तापमान पर वायु प्रवाह में कैल्सीनेशन किया गया। इस विधि से, हालांकि, LiCoO2 के मोटे कणों को तैयार करना बहुत मुश्किल था और केवल 1-3 अपराह्न के व्यास वाले महीन कण प्राप्त किए जा सकते थे।

ठीक सक्रिय इलेक्ट्रोड सामग्री सुरक्षा की दृष्टि से वांछनीय नहीं है। बाहरी शॉर्ट सर्किट या क्रशिंग जैसे दुरुपयोग के मामले में, बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र वाले बारीक कण एक समय में आसानी से प्रतिक्रिया करते हैं और सभी सेल ऊर्जा अचानक तापमान वृद्धि के साथ बहुत कम समय के भीतर जारी की जाती है। सबसे खराब स्थिति में, सेल में आग लग सकती है [योशियो निशि, लिथियम आयन बैटरियों में, एम। वाकिहारा और 0. यामामोटो (एड्स।)। पृष्ठ 192-193]।

लिथियम आयन बैटरी का निर्माण कैसे होता है? प्रवाह संचित्र

Figure-xx-Flow-chart-for-making-Li-CoO2.jpg

चित्र 15. Li-CoO बनाने के लिए फ़्लोचार्ट 2

[क्रेडिट: योशियो निशि, लिथियम आयन बैटरियों में, एम. वाकिहारा और 0. यामामोटो (सं.)। पृष्ठ 192-193]।

बड़े कण आकार के लिथियम कोबाल्टाइट को संश्लेषित करने के लिए एक बेहतर प्रक्रिया: पहला बिंदु यह है कि एक दानेदार के साथ दानेदार छर्रों को बनाने के लिए कच्चे माल (Co 3 0 4 और Li 2 CO 3 ) के मिश्रण में थोड़ी मात्रा में PVA राल मिलाया जाता है। . C0 2 गैस की उपयुक्त मात्रा वाले वायु प्रवाह में छर्रों को sintering करके, 20pm के औसत व्यास वाले लिथियम कोबाल्टाइट कणों को संश्लेषित किया जाता है। दूसरा बिंदु यह है कि हम कच्चे माल में लिथियम कार्बोनेट (Li 2 CO 3 ) की थोड़ी अधिक मात्रा का उपयोग करते हैं, इसलिए कच्चे माल में Li/Co परमाणु अनुपात एक से अधिक होता है। यह प्रक्रिया मोटे कणों को प्राप्त करने के लिए भी अनुकूल है, और इसके अलावा, परिणामी लीकोओ 2 में अवशिष्ट ली 2 सीओ 3 की थोड़ी मात्रा होती है।

पहला बिंदु यह है कि कच्चे माल (Co304 और Li 2 CO 3 ) के मिश्रण में PVA रेजिन की थोड़ी मात्रा मिलाई जाती है ताकि दानेदार छर्रों को दानेदार बनाया जा सके। लिथियम कार्बोनेट ली 2 सीओ 3 और कोबाल्ट ऑक्साइड, सीओ 34 या धातु कोबाल्ट के 600-800 डिग्री सेल्सियस पर एक स्टोइकोमेट्रिक मिश्रण के उच्च तापमान फायरिंग द्वारा लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड को सिंटरिंग करके आसानी से तैयार किया जा सकता है, फिर उत्पाद को एनीलिंग किया जा सकता है 900°C कई घंटों के लिए, सभी एक ऑक्सीजन वातावरण में।

यह 750-900 डिग्री सेल्सियस तक लिथियम हाइड्रॉक्साइड के साथ हाइड्रेटेड ऑक्साइड के कैल्सीनेशन द्वारा भी प्राप्त किया जा सकता है।

एक तीसरी विधि पानी के घोल में समान दाढ़ मात्रा में लिथियम एसीटेट, कोबाल्ट एसीटेट और साइट्रिक एसिड का उपयोग करती है। 80 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करने से मिश्रण एक चिपचिपा पारदर्शी जेल में बदल जाता है। फिर सूखे जेल को पीसकर 550°C तक धीरे-धीरे गर्म किया जाता है। (https: //en.wikipedia.org/wiki/Lithium_cobalt_oxide)।

कुछ विशिष्ट उदाहरण हैं: सोल-जेल विधि

एक सोल-जेल प्रक्रिया में, अभिकारकों के जलीय घोल और एक chelating एजेंट समाधान मिलाया जाता है। विलायक के धीमे वाष्पीकरण से एक सॉल उत्पन्न होता है और इस प्रकार प्राप्त सॉल का मध्यम ताप एक जेल उत्पन्न करता है। वांछित उत्पाद प्राप्त करने के लिए बाद वाले को उपयुक्त तापमान पर शांत किया जाता है।

उदाहरण 1।

विभिन्न कॉम्प्लेक्सिंग एजेंटों से लीकोओ 2 का संश्लेषण: इस्तेमाल किए गए लवण कोबाल्ट नाइट्रेट हेक्सा हाइड्रेट (सीओ (एनओ 3 ) 2 .6 एच 2 ओ, और लिथियम नाइट्रेट, निर्जल लीनो 3 थे। जेल को चार अलग-अलग जटिल एजेंटों का उपयोग करके उत्पादित किया गया था: साइट्रिक एसिड, निर्जल (सी 3 एच 4 ओएच (सीओओएच) 3 , ग्लाइसीन, (एच 2 एनसीएच 2 सीओओएच); स्टार्च (वाणिज्यिक मकई स्टार्च और जिलेटिन)।

Li:Co = 1.1:1 के अनुपात के साथ 20 मिलीलीटर पानी में LiNO 3 और Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O युक्त पांच घोल तैयार किए जाते हैं। प्रत्येक घोल में एक विशिष्ट कॉम्प्लेक्सिंग एजेंट मिलाया जाता है: ( i ) साइट्रिक एसिड (4.611 ग्राम) 5 मिली पानी में पतला; ( ii ) ग्लाइसिन (1.501 ग्राम); ( iii ) स्टार्च (1.250 ग्राम); ( iv ) जिलेटिन (3.500 ग्राम) और ( v ) रिक्त परीक्षण।

जेल बनने तक पहले चार घोल को ग्लिसरीन बाथ में 70 से 80 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म किया गया था। प्रत्येक गेलिंग एजेंट के लिए इस प्रक्रिया का समय अलग-अलग होता है: ( i ) साइट्रिक एसिड (5 घंटे), ( ii ) ग्लाइसिन (3 घंटे), ( iii ) स्टार्च (1 घंटा), ( iv ) जिलेटिन (3 घंटे) . सभी नमूनों के लिए क्रिस्टलीय पाउडर का उत्पादन एक मफल भट्टी में दो चरणों में किया गया था: पहले सामग्री को 300 डिग्री सेल्सियस पर 20-30 मिनट के लिए फायरिंग के साथ और बाद में 24 घंटे के लिए 700 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करना। [ब्रूनो जीए फ्रीटास और अन्य, जे। ब्रेज़। रसायन। समाज. 28, 11, नवंबर 2017]।

उदाहरण 2।

सोल-जेल विधि द्वारा तैयार

LiNO3 को पहले साइट्रिक एसिड के घोल में घोला जाता है। LiNO3, Ni(NO3)2.6H2O Co(Ac)2.4H2O और Mg(NO3)2.6H2O का उपयोग LiNi 0.7 𝑥 M 𝑥 Co 0.3 O2 (0 ) में लिथियम, निकल, कोबाल्ट और मैग्नीशियम की प्रारंभिक सामग्री के रूप में किया गया था। 0.1), क्रमशः। साइट्रिक एसिड की मात्रा Co, Ni और Mg की कुल मोलर राशि के बराबर होती है। फिर, मिश्रण में Co(Ac)2 4H2O, Ni(NO3)2 6H2O और Mg(NO3)2 6H2O मिलाए गए। पूरे मिश्रण को पानी के स्नान से 80∘C पर गरम किया गया था। हीटिंग प्रक्रिया के दौरान, बिना किसी वर्षा के एक स्पष्ट, गुलाबी घोल बनता है। अंत में, स्पष्ट समाधान धीरे-धीरे सूख गया और जेल में बदल गया। ज़ेरोगेल को सुखाया गया, जमीन पर रखा गया, और फिर 12 घंटे के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में हीट-ट्रीट किया गया।

जेल अग्रदूत को 6 घंटे के लिए हवा में 500 डिग्री सेल्सियस पर शांत किया गया था, और एक ट्यूब-भट्ठी में कमरे के तापमान तक ठंडा किया गया था। चूर्ण प्राप्त करने के लिए हीट-ट्रीटेड उत्पादों को एगेट मोर्टार में पीस दिया गया था। और फिर पाउडर को 800 डिग्री सेल्सियस पर 12 घंटे के लिए शांत किया गया। कैथोड के निर्माण के लिए, तैयार उत्पादों को पहले एसिटिलीन ब्लैक और पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (वजन में 80: 8:12) के साथ -मिथाइल पाइरोलिडोन (एनएमपी) में मिलाया गया था। प्राप्त घोल को फिर अल पन्नी पर लेपित किया गया और आगे के रोल प्रेसिंग के लिए 18 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर सुखाया गया। . [ हैलांग झांग, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में प्रगति खंड 2014, अनुच्छेद आईडी 746341, ]

Figure-xx-Flow-chart-for-sol-gel-process-to-prepare-lithium-manganate.jpg

चित्र 16. लिथियम मैंगनेट तैयार करने के लिए सोल-जेल प्रक्रिया के लिए प्रवाह चार्ट

( क्रेडिट: वाईएस ली, वाईके सन और केएस, नाहम, सॉलिड स्टेट आयोनिक्स 109 (1998) 285 जैसा कि एम. पासक्वाली, एस. पासेरिनी और जी पिस्तोइया द्वारा दिया गया है।, लिथियम बैटरी, विज्ञान और प्रौद्योगिकी में, एड। जीए नज़री और जी. पिस्तोइया द्वारा, स्प्रिंगर, न्यूयॉर्क, (2009), पी। 318)

लिथियम आयन बैटरी में एनोड सामग्री का निर्माण

बेहतर ऊर्जा और शक्ति घनत्व के साथ एलआईबी की ओर जाने वाला उत्साहजनक मार्ग उपयुक्त एनोड सामग्री का चयन है जो उच्च क्षमता प्रदान कर सकता है और एनोड में ली-आयनों के प्रसार में आसानी के साथ-साथ अच्छा चक्र जीवन और सुरक्षा चिंताओं से मुक्त हो सकता है।

पूर्वगामी सामग्री के आधार पर, कार्बन एनोड को नीचे दिए गए अनुसार कई प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है।

पूर्ववर्ती सामग्री और प्रसंस्करण पैरामीटर उत्पादित कार्बन की प्रकृति को निर्धारित करते हैं। जिन पदार्थों को उच्च तापमान (2000 से 3000 डिग्री सेल्सियस) पर उपचार द्वारा रेखांकन किया जा सकता है, उन्हें नरम कार्बन कहा जाता है।

ग्राफिटाइजेशन पर, बढ़ते तापमान के साथ टर्बोस्ट्रैटिक विकार उत्तरोत्तर हटा दिया जाता है, और सामग्री में तनाव से राहत मिलती है [टी। झेंग, जेएन रीमर्स, और जेआर डाहन, भौतिक. रेव. बी 51 , 734 (1995)] हार्ड कार्बन , जैसे कि फेनोलिक राल से तैयार किए गए, 3000 डिग्री सेल्सियस पर इलाज किए जाने पर भी आसानी से रेखांकन नहीं किया जा सकता है। कोक-प्रकार की सामग्री लगभग 1000 डिग्री सेल्सियस पर तैयार की जाती है, आमतौर पर एक सुगंधित पेट्रोलियम अग्रदूत से [जेफ डैन और ग्रांट एम। एर्लिच। “लिथियम आयन बैटरी”, लिंडन की बैटरियों की हैंडबुक, चौथा संस्करण, थॉमस बी रेड्डी (सं.), मैकग्रा हिल, पीपी। 26।, 2011]

Figure-xx-Carbon-anode-materials-precursor-classification.jpg

चित्र 17. कार्बन एनोड सामग्री अग्रदूत वर्गीकरण

[श्रेय: जेफ डैन और ग्रांट एम। एर्लिच। “लिथियम आयन बैटरी”, लिंडन की बैटरियों की हैंडबुक, चौथा संस्करण, थॉमस बी रेड्डी (सं.), मैकग्रा हिल, पीपी। 26।, 2011]

गोरीपार्टी एलआईबी की एनोड सामग्री को लिथियम के साथ उनकी प्रतिक्रिया तंत्र के आधार पर तीन श्रेणियों में विभाजित करता है [ सुब्रह्मण्यम गोरीपार्टी, एर्मनो मिले, फ्रांसेस्को डी एंजेलिस, एंज़ो डि फैब्रीज़ियो, रेमो प्रोएती ज़कारिया, क्लाउडियो कैपिग्लिया, जे पावर सोर्स 257 (2014) 421-443]

इंटरकलेशन / डी-इंटरकलेशन ग्रुप

एनोड की इस श्रेणी में कार्बनयुक्त और टाइटेनियम ऑक्साइड सामग्री शामिल हैं। एक अंतर्संबंध पथ के माध्यम से होने वाली भंडारण क्षमता सतह क्षेत्र, आकारिकी, क्रिस्टलीयता और इसके अभिविन्यास के साथ निकटता से जुड़ी हुई है। शीतल कार्बन आमतौर पर अच्छी तरह से स्वीकार किए जाते हैं और बैटरी उद्योग में उपयोग किए जाते हैं। यह देखा गया कि सॉफ्ट कार्बन काफी परिपक्व तकनीक है, जबकि हार्ड कार्बन विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहन क्षेत्र में उच्च क्षमता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए एक दिलचस्प वैकल्पिक समाधान पेश कर सकता है। टाइटेनियम ऑक्साइड एनोड पहले से ही कुछ बैटरी उद्योगों द्वारा उपयोग किए जाते हैं।

Schematics-of-the-structure-of-a-graphitizing-but-non-graphite-carbon-Soft-carbon.jpg
चित्र 18. [क्रेडिट: आरई फ्रैंकलिन, प्रोक। शाही समाज। (लंदन), ए209, 196, 1951]
Schematics-of-the-structure-of-a-non-graphitizing-carbon-Hard-carbon.jpg

ग्राफीन की भी व्यापक समीक्षा की गई। विशेष रूप से, यह देखा गया कि उनके विद्युत गुण इस सामग्री को विशेष रूप से हाइब्रिड ग्रेफीन/धातु एनोड (उदाहरण के लिए SnO2 और Fe2O3 के साथ ग्राफीन) के लिए उपयुक्त बनाते हैं। कार्बन नैनो-ट्यूब (CNTs) उनके बहुत ही दिलचस्प शैक्षणिक परिणामों के लिए महत्वपूर्ण थे, हालांकि उत्पादन लागत भविष्य के लिए बैटरी उद्योग में एनोड सक्रिय सामग्री के रूप में उनके आवेदन में बाधा उत्पन्न कर सकती है।

Figure-xx-Crystal-structure-of-hexagonal-graphite-showing-ABAB.jpg
चित्र 19. एबीएबी दिखा रहा हेक्सागोनल ग्रेफाइट की क्रिस्टल संरचना... ग्रेफीन शीट्स और यूनिट सेल का स्टैकिंग [क्रेडिट: मोचिडा, आई, तानसोजैनो कागाकू से कोगाकू, असाकुरा, टोक्यो (1990) पी.10 (जापानी में), राल्फ जे. ब्रोड से अनुकूलित और लीथियम-आयन बैटरियों में अग्रिमों में काज़ुओ तगावेन, वाल्टर ए. वैन शाल्कविज्क और ब्रूनो स्क्रोसाती (एड्स), क्लूवर अकादमिक प्रकाशक, न्यूयॉर्क, पीपी. 81, 2002.)]
Figure-xx-Crystal-structures-of-graphite-hexagonal-upper-and-rombohedral-below-.jpg
चित्रा 20. ग्रेफाइट, हेक्सागोनल (ऊपरी) और रंबोहेड्रल (नीचे) की क्रिस्टल संरचनाएं [क्रेडिट: ज़ेम्पाची ओगुमी और होंग्यू वांग। (2009) कार्बन एनोड सामग्री, योशियो एम।, ब्रोड आरजे, कोज़ावा ए। (संस्करण) लिथियम-आयन बैटरी में। स्प्रिंगर, न्यूयॉर्क, एनवाई।, पीपी 55 https://doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4_8]

हालांकि, बड़ी ईवी बैटरी के लिए, कम लागत वाले ग्रेफाइट को आमतौर पर लागत के कारण पसंद किया जाता है।

दूसरी श्रेणी में, Si, Ge, SiO, SnO2 जैसी मिश्र धातु सामग्री का वर्णन किया गया था। मिश्र धातु/डी-मिश्र धातु विद्युत रासायनिक तंत्र में लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करके, ये सामग्री पिछले समूह की तुलना में बड़ी क्षमता और उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान कर सकती है। हालाँकि, इस प्रक्रिया का तात्पर्य बड़ी मात्रा में विस्तार से है जिसके परिणामस्वरूप साइकिल चलाने पर पर्याप्त क्षमता का नुकसान होता है। प्रवाहकीय मैट्रिक्स के साथ संयोजन द्वारा जटिल संरचनाओं की प्राप्ति के साथ-साथ थोक आयामों से नैनोस्केल में कमी, उपरोक्त निर्दिष्ट मुद्दों को दूर करने और समग्र एनोड प्रदर्शन में सुधार करने का प्रस्ताव दिया गया है।

सिलिकॉन और एसएनओ 2 और कार्बन के साथ उनका सम्मिश्रण भविष्य की लिथियम बैटरी में अनुप्रयोगों के लिए सबसे आशाजनक सामग्री है, हालांकि, एनोड सामग्री के रूप में उनके बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक सस्ता तरीका अभी भी आवश्यक है। दूसरी ओर, जीई, हालांकि अपने विद्युत रासायनिक गुणों और उत्कृष्ट प्रयोगात्मक प्रयोगशाला परिणामों के लिए दिलचस्प है, पृथ्वी की पपड़ी में बहुतायत के मामले में पचासवां रैंक तत्व होने की कमी से ग्रस्त है। इसलिए, ऐसा लगता है कि लिथियम बैटरी प्रौद्योगिकी के बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग के लिए यह एक अच्छा विकल्प नहीं है।

तीसरे समूह में, रूपांतरण प्रतिक्रिया फैशन में लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करने वाली सामग्री का वर्णन किया गया था। विशेष रूप से, धातु ऑक्साइड / फॉस्फाइड / नाइट्राइड / सल्फाइड पर विचार किया गया था। हालांकि, खराब क्षमता प्रतिधारण और बड़ी संभावित हिस्टैरिसीस के कारण, ये सामग्रियां अभी भी बड़े वाणिज्यिक लिथियम बैटरी बाजार से बहुत दूर हैं। इसलिए, उपरोक्त पहचानी गई समस्याओं के समाधान के लिए इन सामग्रियों के विभिन्न प्रकार के नैनो-संरचित रूपों की भी जांच की गई है।

लिथियम बैटरी के लिए अगली पीढ़ी के एनोड सामग्री की इंजीनियरिंग के लिए एक नैनो तकनीक निश्चित रूप से एक दुर्जेय दृष्टिकोण है। वर्णित सामग्री को वाणिज्यिक एलआईबी में प्रभावी एनोड के रूप में उपयोग करने के लिए, विशेष रूप से ईवी अनुप्रयोगों के लिए, हालांकि अधिक शोध कार्य की आवश्यकता है। वास्तव में, नैनोसाइज्ड सामग्रियों के बड़े पैमाने पर संश्लेषण के लिए सस्ती निर्माण प्रक्रियाओं के विकास के साथ-साथ उच्च ऊर्जा और उच्च शक्ति घनत्व दोनों को प्राप्त करना आवश्यक है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोड/इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस में इलेक्ट्रॉन परिवहन गुणों के साथ लिथियम और वर्णित सामग्रियों के नैनोसाइज्ड रूपों के बीच बातचीत को नियंत्रित करने वाले तंत्र की जांच नैनो टेक्नोलॉजी द्वारा इंजीनियर एनोड सक्रिय सामग्री की अगली पीढ़ी के डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण महत्व है। .

लिथियम कोशिकाओं में वर्तमान में कार्यरत नकारात्मक इलेक्ट्रोड में कार्बन के एक रूप में लिथियम का एक ठोस समाधान शामिल होता है। लिथियम के गलनांक से ऊपर के तापमान पर काम करने वाली लिथियम कोशिकाओं को आवश्यक रूप से मौलिक लिथियम के बजाय मिश्र धातुओं का उपयोग करना चाहिए। ये आम तौर पर द्विआधारी या टर्नरी धातु चरण होते हैं। इलेक्ट्रोड की मात्रा को कम करने के साथ-साथ उल्लेखनीय रूप से बढ़ी हुई क्षमता को प्राप्त करने के लक्ष्य के साथ परिवेश के तापमान पर कार्बन के बजाय धातु मिश्र धातुओं के उपयोग की संभावना में वर्तमान रुचि भी बढ़ रही है। [रॉबर्ट ए हगिन्स, एडवांस्ड बैटरीज, मैटेरियल्स साइंस एस्पेक्ट्स, स्प्रिंगर, न्यूयॉर्क, 2009, पृष्ठ 123]।

ग्रेफाइट उभयधर्मी है, और ग्रेफीन परतों के बीच या तो उद्धरण या आयनों को इसमें डाला जा सकता है। जब धनायन डाले जाते हैं, तो मेजबान ग्रेफाइट संरचना एक नकारात्मक चार्ज लेती है। धनायन उदाहरण हैं Li + , K + , Rb + , और Cs + । जब आयनों को डाला जाता है, तो मेजबान ग्रेफाइट संरचना एक सकारात्मक चार्ज लेती है, और आयनों के उदाहरण हैं Br ,SO2 , SbF6

कार्बन में क्षार धातुओं का सम्मिलन पहली बार 1926 में प्रदर्शित किया गया था [के। फ़्रेडेंहेगन और जी. कैडेनबैक, जेड. एनॉर्ग. सभी रसायन। 158, 249 (1926)] और 1955 में लिथियम-कार्बन के रासायनिक संश्लेषण का प्रदर्शन किया गया [ डी. गुएरार्ड, ए. हेरोल्ड, कार्बन 13, 337 (1975 )]। एक्स-रे फोटोमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोगों से पता चला है कि डाला गया लिथियम कार्बन को अपना इलेक्ट्रॉन छोड़ देता है, और इस प्रकार संरचना को ग्रेफाइट संरचना की कार्बन परतों के बीच निहित ली + आयनों के रूप में देखा जा सकता है।

[जीके वर्थाइम, पीएमटीएच.एम. वैन अटेकुम और एस. बसु, सॉलिड स्टेट कम्युन। 33, 1127 (1980)]। ग्रेफाइट में प्रजातियों के सम्मिलन पर प्रारंभिक कार्य की एक सामान्य समीक्षा में पाया जा सकता है
[एलबी एबर्ट, ग्रेफाइट के इंटरकलेशन कंपाउंड्स, सामग्री विज्ञान की वार्षिक समीक्षा में,
वॉल्यूम। 6, एड. आरए हगिंस द्वारा, वार्षिक समीक्षा, पालो ऑल्टो, सीए (1976), पी। 181].

एनोड सामग्री की शुद्धता में महत्वपूर्ण कारक सतह पर किसी भी ऑक्सीजन युक्त प्रजातियों को खत्म करने की आवश्यकता है क्योंकि ये इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करेंगे। इस प्रतिक्रिया को रोकने के लिए, निर्माता ग्रेफाइट को 1100ºC) पर कम करने या निष्क्रिय वातावरण में सेंकते हैं। इससे ग्रेफाइट की तुलना में अन्य उपयोगों की लागत बढ़ जाती है। एनोड पेस्ट या घोल बनाने के लिए कार्बन (90%) को कई अन्य सामग्रियों के साथ मिलाया जाता है। कैथोड की तरह, पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (PVDF) का उपयोग बाइंडर (-5%) के रूप में किया जाता है, और चालकता सुनिश्चित करने के लिए थोड़ी मात्रा में कार्बन ब्लैक मिलाया जाता है। इसके अलावा, एक समान मिश्रण बनाने के लिए सामग्री को घोलने के लिए एन-मिथाइल पाइरोलिडोन (एनएमपी) का उपयोग किया जाता है। दबाव एक समान अनाज के आकार का आश्वासन देता है (सैंडी 1999)।

लिथियम टाइटेनेट (एलटीओ) बहुत रुचि प्राप्त कर रहा है। एलटीओ सेल अन्य केमिस्ट्री की तुलना में कम तापमान पर काम करते हैं और उच्च शक्ति घनत्व प्रदान करते हैं। हालांकि, ऐसी कोशिकाएं लगभग 2.2-2.3 वी प्रति सेल की सीमा में कम नाममात्र वोल्टेज से ग्रस्त हैं। [नोरियो ताकामी, हिरोकी इनागाकी, योशिनाओ तातेबायाशी, हिदेसातो सरुवतारी, कीज़ोह होंडा, शुन एगुसा, जे पावर सोर्स 244 (2013) 469-475]

चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रोड सामग्री, आमतौर पर ग्रेफाइट, 10% तक फैलती है। ग्रेफाइट अपने मूल आयतन को पुनः प्राप्त कर लेता है जब लिथियम आयन विसंक्रमित हो जाते हैं। यदि एल्यूमीनियम का उपयोग किया जाता है तो लिथियम आयनों को न केवल ग्रेफाइट में जोड़ा जाएगा, बल्कि कंडक्टर में भी डाला जाएगा, इस प्रकार एक एल्यूमीनियम-लिथियम मिश्र धातु का निर्माण होगा। निर्वहन के दौरान रिवर्स प्रक्रिया होगी। कुछ चक्रों के बाद एल्यूमीनियम खराब हो जाएगा और वर्तमान संग्राहक के रूप में बेकार हो जाएगा।

हालांकि, अगर नकारात्मक इलेक्ट्रोड ग्रेफाइट के बजाय लिथियम टाइटेनेट से बना है, तो स्थिति नाटकीय रूप से बदल जाती है। Li 4 Ti 5 O 12 की इलेक्ट्रोड क्षमता ग्रेफाइट की तुलना में लगभग 1.4 V अधिक है (सेल वोल्टेज लगभग 1.4 V कम है, 3.6 V के मुकाबले 2.2 V है)। यह लिथियम आयनों को एल्यूमीनियम में अंतःस्थापित होने से रोकेगा। इसलिए, लागत-संबंधी और वजन-संबंधी कारणों से तांबे पर एल्यूमीनियम को प्राथमिकता दी जाती है। ली 4 टीआई 512 मुख्य रूप से अपने कम सेल वोल्टेज के कारण स्थिर अनुप्रयोगों में कार्यरत है। [ कॉलिन वर्म एट अल।, लिथियम-आयन बैटरियों में, रेनर कोर्थौएर (एड), माइकल वुएस्ट एट अल द्वारा अनुवादित।, स्प्रिंगर, 2018 पीपी। 57 ]।

लिथियम टाइटेनेट के उत्पादन की प्रक्रिया: टाइटेनियम डाइऑक्साइड और लिथियम यौगिक (इनमें से कोई एक: लिथियम कार्बोनेट, लिथियम हाइड्रॉक्साइड, लिथियम नाइट्रेट और लिथियम ऑक्साइड) का मिश्रण 670 डिग्री सेल्सियस और 800 डिग्री सेल्सियस के बीच के तापमान पर पूर्व-पाप किया जाता है। . TiO 2 , और Li 2 TiO 3 या TiO 2 , Li 2 TiO 3 , और Li 4 Ti 5 O 12 से मिलकर बना एक यौगिक प्राप्त होता है। इसके बाद यौगिक को 800 से 950 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर sintered किया जाता है। [टेटसुया यामावाकी एट अल।, यूएस पेटेंट 6,645,673 बी2, 2003 तोहो टाइटेनियम कं, लिमिटेड, चिगासाकी को सौंपा गया]

तोशिबा की SCiB™ रिचार्जेबल बैटरी (https://www.scib.jp/en/)
SCiB™ अपने एनोड में लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड (LTO) का उपयोग सुरक्षा, लंबे जीवन, कम तापमान के प्रदर्शन, तेजी से चार्जिंग, उच्च इनपुट / आउटपुट पावर और बड़ी प्रभावी क्षमता प्राप्त करने के लिए करता है। SCiB™ को ऑटोमोबाइल, बस, रेलरोड कार, लिफ्ट और बिजली संयंत्रों सहित वाहन, औद्योगिक और बुनियादी ढांचे के अनुप्रयोगों में व्यापक अनुप्रयोग मिले हैं।

लिथियम आयन बैटरी विभाजक उत्पादन

दो प्रकार की प्रक्रिया उपलब्ध है: गीली और सूखी। जापानी निर्माता एक गीली प्रक्रिया का उपयोग करते हैं जिसमें बहुलक तेल में घुल जाता है। फिर एक छिद्रपूर्ण फिल्म छोड़ने के लिए तेल को वाष्पित किया जाता है। वे Celgard का उत्पादन करने के लिए अल्ट्राहाई आणविक भार के पॉलिमर का उपयोग करते हैं, बहुलक संरचना को नियंत्रित करने के लिए ब्लो पॉलीमर फिल्म की तीन परतों को टुकड़े टुकड़े, नीचे खींचा और पिघलने बिंदु के नीचे रखा जाता है। फिर सरंध्रता प्राप्त करने के लिए शीट को तेजी से बढ़ाया जाता है।

दो प्रकार की प्रक्रिया उपलब्ध है: गीली और सूखी। जापानी निर्माता एक गीली प्रक्रिया का उपयोग करते हैं जिसमें बहुलक तेल में घुल जाता है। फिर एक छिद्रपूर्ण फिल्म छोड़ने के लिए तेल को वाष्पित किया जाता है। वे सेल्गार्ड का उत्पादन करने के लिए अल्ट्राहाई आणविक भार के पॉलिमर का उपयोग करते हैं, बहुलक संरचना को नियंत्रित करने के लिए उड़ा बहुलक फिल्म की तीन परतों को टुकड़े टुकड़े, नीचे खींचा जाता है, और पिघलने बिंदु से नीचे रखा जाता है। फिर सरंध्रता प्राप्त करने के लिए शीट को तेजी से बढ़ाया जाता है।

[पेकला, आरडब्ल्यू, एट अल।, 2000, “सेपरेटर्स: एन ओवरलुक्ड अपॉर्चुनिटी टू एन्हांस बैटरी परफॉर्मेंस?,” 17वां अंतर्राष्ट्रीय संगोष्ठी और प्राथमिक और माध्यमिक बैटरियों पर एक्ज़िबिट, फीट। लॉडरडेल, Fla।, 6-9 मार्च]

यह प्रक्रिया परिचालन स्थितियों के प्रति बहुत संवेदनशील है और यहां तक कि सामग्री बैचों के साथ बदलती रहती है, इसलिए सावधानीपूर्वक नियंत्रण आवश्यक है [लिंडा गेन्स और रॉय कुएनका, वाहनों के लिए लिथियम आयन बैटरी की लागत, एएनएल रिपोर्ट एएनएल/ईएसडी-42, मई 2000, पीपी। 20] .

हालांकि, ईवी/एचईवी कोशिकाओं के लिए विभाजकों में आवश्यक अतिरिक्त मोटाई कम ताकत की भरपाई करती है। [वाई. निशि, इन: एम. वाकिहारा, ओ. यामामोटो (एड्स।), लिथियम आयन बैटरीज, विले/वीसीएच/कोडनशा, टोक्यो, 1998, पी। 195.
पी. अरोड़ा, जेड झांग, केम। रेव. 104 (2004) 4419]।

पारंपरिक विशेषताओं जैसे कि अच्छी यांत्रिक शक्ति, इलेक्ट्रोलाइट पारगम्यता के अलावा, ये सूक्ष्म झरझरा विभाजक सेल दुरुपयोग के दौरान एक सुरक्षात्मक संपत्ति प्रदर्शित करते हैं। उदाहरण के लिए, यदि अत्यधिक अधिभार के कारण सेल का तापमान असामान्य रूप से बढ़ जाता है, उदाहरण के लिए, उत्पन्न गर्मी पीई को नरम करती है और फिल्म में माइक्रोप्रोर्स को बंद कर देती है। इसे विभाजक “शटडाउन” कहा जाता है। एक बार शटडाउन होने के बाद, इलेक्ट्रोड के बीच आयनिक परिवहन प्रभावी रूप से बंद हो जाता है और करंट प्रवाहित होना बंद हो जाता है। यदि विभाजक अपने शटडाउन तापमान से ऊपर यांत्रिक अखंडता को बनाए रख सकता है, तो यह डिवाइस को सुरक्षा का एक मार्जिन प्रदान कर सकता है; अन्यथा, इलेक्ट्रोड सीधे संपर्क में आ सकते हैं, रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जिससे थर्मल भगोड़ा हो सकता है।

हालांकि, यह संभव है कि थर्मल जड़ता के कारण बंद होने के बाद भी तापमान में वृद्धि जारी रह सकती है। ऐसी परिस्थितियों में सेपरेटर पिघल जाएगा और इलेक्ट्रोड को छोटा कर देगा, जिससे हिंसक प्रतिक्रियाएं और गर्मी पैदा होगी। इस घटना को विभाजक का “मेल्टडाउन” या “ब्रेकडाउन” कहा जाता है। इसलिए, सेल की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, “शटडाउन” और “मेल्टडाउन” तापमान के बीच का अंतर जितना संभव हो उतना बड़ा होना चाहिए।

पूरी तरह से उच्च घनत्व वाले पॉलीथीन से बने विभाजक 135 डिग्री सेल्सियस पर पिघल जाते हैं और इस तापमान से ऊपर यांत्रिक अखंडता खो देते हैं। हालांकि, पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीइथाइलीन की परतों को टुकड़े टुकड़े करके बनाए गए विभाजक कम से कम 165 डिग्री सेल्सियस तक यांत्रिक अखंडता बनाए रखते हैं, पॉलीप्रोपाइलीन का गलनांक। यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि हालांकि अल्ट्राहाई आणविक भार पॉलीथीन 135 डिग्री सेल्सियस पर पिघला देता है, इस सामग्री से बने विभाजक कम से कम 180 डिग्री सेल्सियस तक अपनी यांत्रिक अखंडता बनाए रखते हैं क्योंकि सामग्री की चिपचिपाहट ऐसी होती है कि यह भौतिक अखंडता को बनाए रखती है।

शटडाउन सेपरेटर विश्वसनीय हैं और लिथियम-आयन बैटरी निर्माता अपने उत्पादों में शामिल करने के लिए तेजी से विकल्प चुन रहे हैं। सबसे आम शटडाउन विभाजकों में उच्च आणविक भार पॉलीप्रोपाइलीन सुपर-उच्च आणविक भार पॉलीथीन के साथ मिश्रित होता है। यहां, पॉलीथीन की अनूठी शटडाउन संपत्ति को ऊंचे तापमान पर पॉलीप्रोपाइलीन की उच्च यांत्रिक अखंडता के साथ अनुकूल रूप से जोड़ा जाता है। चूंकि शटडाउन अपरिवर्तनीय है, एक बार सक्रिय होने के बाद, ये विभाजक कोशिकाओं को स्थायी रूप से क्षतिग्रस्त छोड़ देते हैं। [पीजी बालकृष्णन, आर. रमेश, टी. प्रेम कुमार , जे. पावर सोर्सेज। 155 (2006) 401-414]

लिथियम आयन बैटरी में अन्य सामग्री

एल्युमिनियम, निकेल और कॉपर फॉयल जैसे करंट कलेक्टर जैसी अन्य सामग्रियां हैं, टाइरीन-ब्यूटाडीन कोपोलिमर (एसबीआर), और पी ओलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ), इलेक्ट्रोलाइट्स और सॉल्वैंट्स, कैथोड कंडक्टिव एडिटिव्स, सेपरेटर जैसे बाइंडर्स।

लिथियम-आयन बैटरी के लाभ और सीमाएं - लिथियम आयन सेल निर्माण

एनोड से कैथोड वजन अनुपात

यह बहुत महत्वपूर्ण है कि सेल संचालन के दौरान कोई लिथियम धातु न बने। धातु का जमाव डेन्ड्राइट बनाता है जो आंतरिक रूप से कोशिका को छोटा करता है। चार्जिंग और सेल बैलेंस के दौरान वोल्टेज कंट्रोल इस समस्या को काफी हद तक कम करने में मदद करता है। लिथियम निक्षेपण को नियंत्रित करने की मुख्य विधि सेल में अलग-अलग प्लेटों की कैथोड क्षमता के लिए एनोड का अनुपात है। एनोड इलेक्ट्रोड में कैथोड की तुलना में लगभग 10% अधिक प्रयोग करने योग्य क्षमता होती है। यह चार्ज के दौरान एनोड पर लिथियम धातु के जमाव को रोकता है, क्योंकि कैथोड सेल की क्षमता निर्धारित करता है। यदि लिथियम धातु इलेक्ट्रोड की सतह पर जमा हो जाती है, तो यह इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करती है और थर्मल भगोड़ा शुरू कर सकती है।

Figure-xx-Anode-and-cathode-capacity-ratio-in-Li-ion-cell.jpg

चित्र 21. लिथियम आयन सेल में एनोड और कैथोड क्षमता अनुपात

( क्रेडिट: राल्फ जे. ब्रोड और काज़ुओ तगावा, एडवांस इन लीथियम-आयन बैटरियों में, वाल्टर ए. वैन शाल्क्विज्क और ब्रूनो स्क्रोसाटी (एड्स), क्लूवर एकेडमिक पब्लिशर्स, न्यूयॉर्क, पीपी. 272, 2002।)

लिथियम आयन सेल असेंबली प्रक्रिया

सक्रिय सामग्री के साथ लेपित सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड स्टॉक को कोटिंग करते समय लिथियम आयन बैटरी के लिए सेल असेंबली प्रक्रियाओं में सटीकता और सटीकता की आवश्यकता होती है। उच्च क्षमता, उच्च-विश्वसनीयता उत्पाद सुनिश्चित करने में कोटिंग प्रक्रिया एक महत्वपूर्ण तत्व है। यदि कोटिंग खराब गुणवत्ता की हैं तो केवल कम प्रदर्शन वाली बैटरी का उत्पादन किया जाएगा। सक्रिय द्रव्यमान की तैयारी में प्रारंभिक चरण परिणाम निर्धारित करते हैं।

कोहेन और गुटॉफ [ई। कोहेन और ई. गुटॉफ़, आधुनिक कोटिंग और सुखाने की तकनीक, विले-वीसीएच,

न्यू यॉर्क, 1992] कोटिंग के घोल के रियोलॉजी, आवश्यक सटीकता और कोटिंग की गति के आधार पर किसी विशेष अनुप्रयोग के लिए सर्वोत्तम कोटिंग तकनीक पर पहुंचने के लिए एक कार्यप्रणाली का वर्णन करता है।

Figure-xx-Anode-and-cathode-coating-process.jpg

चित्र 22. एनोड और कैथोड कोटिंग प्रक्रिया

( क्रेडिट: राल्फ जे. ब्रोड और काज़ुओ तगावेन इन एडवांस इन लिथियम-आयन बैटरियों, वाल्टर ए. वैन शाल्क्विज्क और ब्रूनो स्क्रोसाती (एड्स), क्लूवर एकेडमिक पब्लिशर्स, न्यूयॉर्क, पीपी. 273, 2002।)

लिथियम आयन बैटरी के निर्माण के लिए प्रवाह चार्ट

Manufacturing-flowchart-of-lithium-ion-battery.jpg

चित्र 23. लिथियम आयन सेल के निर्माण के लिए फ्लो चार्ट

[राल्फ जे. ब्रोड और काज़ुओ तगावा इन एडवांस इन लीथियम-आयन बैटरियों, वाल्टर ए. वैन शाल्कविज्क और ब्रूनो स्क्रोसैटी (सं.), क्लूवर एकेडमिक पब्लिशर्स, न्यूयॉर्क, पीपी. 271, 2002।]

Figure-xx-Flow-chart-for-manufacture-of-electrodes-from-raw-materials.jpg

क्रेडिट: इलेक्ट्रोपीडिया https: //www.mpoweruk.com/battery_manufacturing.htm

चित्र 24. कच्चे माल से इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए प्रवाह चार्ट

लिथियम आयन सेल असेंबली

Flowchart-for-cell-assembly.jpg
क्रेडिट: इलेक्ट्रोपीडिया। https://www.mpoweruk .com/battery_manufacturing.htm चित्र 25. प्रिज्मीय और बेलनाकार कोशिकाओं के लिए कोशिकाओं के संयोजन से शिपिंग तक प्रवाह-चार्ट
Figure-xx-Prismatic-Li-ion-cell-manufacture.jpg
Figure-xx-Cylindrical-Li-ion-cell-manufacture-–Part-2.jpg
Figure-xx-Cylindrical-Li-ion-cell-manufacture-–-Part-1.jpg

लिथियम आयन बैटरी निर्माता सेल को असेंबल करते समय निम्नलिखित बिंदुओं पर लक्ष्य रखते हैं:

  • लिथियम आयन सेल के डिजाइन के परिणामस्वरूप पूरे इलेक्ट्रोड क्षेत्र में एक समान वर्तमान घनत्व होना चाहिए।
  • सक्रिय सामग्री (एएम) और वर्तमान कलेक्टर के बीच अच्छा संपर्क सुनिश्चित करने के लिए
  • कोशिकाओं को उच्च दर प्रदर्शन देने के लिए बड़े सतह क्षेत्र इलेक्ट्रोड कार्यरत हैं। यह ध्रुवीकरण को कम करता है, यानी इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं के कैनेटीक्स के कारण वोल्टेज नुकसान और विभाजक में वोल्टेज ड्रॉप को कम करता है।

छिद्र संरचना और प्रवाहकीय कार्बन का संयोजन सक्रिय सामग्री का अच्छा अंतर-कण संपर्क देता है।

सक्रिय सामग्री के पूर्ण उपयोग के लिए और उच्च दर प्रदर्शन के दौरान अच्छी दक्षता के लिए सक्रिय सामग्री, प्रवाहकीय कार्बन और वर्तमान कलेक्टर के बीच अच्छा संपर्क आवश्यक है।

कोबाल्ट कैथोड मिश्रण LiCoO2 (एक काला पाउडर) + PVdF बाइंडर (एक सफेद अर्ध-क्रिस्टलीय फ्लोरोपॉलीमर थर्मोप्लास्टिक) + N-मिथाइल पाइरोलिडोन (NMP, एक रंगहीन कार्बनिक तरल) से विलायक के रूप में तैयार किया जाता है। LICoO2 गैर-प्रवाहकीय होने के कारण, एक प्रवाहकीय मंदक, अनिवार्य रूप से एक कार्बन ब्लैक, LiCoO2 की चालकता को बढ़ाने के लिए जोड़ा जाता है।

सामग्री का अनुपात और मात्रा सेल डिज़ाइन और मिक्सर के आकार द्वारा निर्धारित की जाती है। कोटिंग सॉल्वेंट और बाइंडर जोड़ने से पहले गैर-संचालन सक्रिय सामग्री और कार्बन के मिश्रण को सुखाने के लिए एक गहन मिश्रण प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है।

कंडक्टिव कार्बन की एक पतली फिल्म के साथ सक्रिय सामग्री के कणों की एक समान कोटिंग देने के लिए मिश्रण को सूखा मिश्रित किया जाता है ताकि एएम और वर्तमान कलेक्टर ग्रिड (एल्यूमीनियम पन्नी, मोटाई में 20 मिमी) के बीच विद्युत संपर्क में सुधार हो, इस प्रकार सभी AM का पूर्ण उपयोग सुनिश्चित करना। बहुलक एनएमपी एक अलग कंटेनर में कोटिंग विलायक में भंग कर दिया जाता है। शुष्क मिश्रण मिश्रण और फिर विलायक के घोल को मिलाकर घोल बनाया जाता है।

कोटिंग ऑपरेशन के लिए घोल (या पेंट) की चिपचिपाहट को समायोजित करने के लिए विलायक परिवर्धन का उपयोग किया जाता हैPolyvinylenedifluoride (PVdF) पसंद का बाइंडर है और विलायक एन-मेथिलपाइरोलिडिनोन (एनएमपी) है। मिक्सिंग ऑपरेशन से घोल को सीलबंद कंटेनरों में रखा जाता है, जो कोटिंग संचालन के लिए जलाशय और स्थानांतरण माध्यम के रूप में काम करते हैं। कोटिंग के सिर में जाने वाले तरल पदार्थ में हवा के किसी भी प्रवेश से बचने के लिए, एक गियर पंप, या इसी तरह के सटीक पंप के साथ भंडारण कंटेनर से सटीक मात्रा में कोटिंग घोल को पंप किया जाता है।

एनोड मिश्रण इसी तरह से हार्ड कार्बन, पीवीडीएफ बाइंडर और एनएमपी के साथ तैयार किया जाता है। यह मिश्रण ग्रिड (मोटाई में 10 मिमी) के रूप में उपयोग की जाने वाली तांबे की पन्नी पर लेपित होता है।

एनोड और कैथोड दोनों के लिए दोनों तरफ लगभग 100 मिमी मोटाई की कोटिंग की जाती है। कोटिंग की मोटाई कम करने से सेल के एक निश्चित आयतन के लिए कुल सतह क्षेत्र में वृद्धि हासिल की जाती है। उपयोग किए गए कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स में जलीय की तुलना में कम चालकता होती है और इसलिए यह उच्च सतह क्षेत्र एक उच्च शक्ति निर्वहन सेल की सुविधा प्रदान करेगा।

इलेक्ट्रोड की मोटाई आवश्यक अधिकतम शक्ति पर निर्भर करती है। लिथियम आयन बैटरी निर्माण तकनीक की एक अनूठी विशेषता यह है कि यह एक ही इलेक्ट्रोड निर्माण तकनीक के साथ बिजली/ऊर्जा अनुपात डिजाइन की एक विस्तृत श्रृंखला की अनुमति देता है। [ब्रूसली, नाज़री पीपी 651]। लेकिन उपयुक्त वर्तमान संग्रह और टैबिंग, सेल आकार और डिजाइन महत्वपूर्ण हैं।

सेल असेंबली: लेपित पन्नी विलायक को वाष्पित करने के लिए एक ओवन से गुजरती है और पन्नी पर सक्रिय द्रव्यमान की एक सटीक मात्रा छोड़ती है। कई कोटिंग सॉल्वैंट्स को खतरनाक के रूप में वर्गीकृत किया जाता है और उन्हें वातावरण में जारी नहीं किया जा सकता है। लागत-बचत उपाय के रूप में, विलायक आमतौर पर प्रक्रिया में पुन: उपयोग के लिए पुनर्प्राप्त किया जाता है। पर्यावरण के किसी भी संदूषण से बचने के लिए विलायक को जलाया जा सकता है।

अधिकांश लिथियम आयन कोशिकाएँ आकार में बेलनाकार होती हैं। प्रिज्मीय कोशिकाओं के लिए तत्व प्राप्त करने के लिए जेली रोल को चपटा किया जाता है।

प्रिज्मीय कोशिकाएं बेहतर मात्रा में भरने के लिए अनुकूल हैं, लेकिन साइकिल चलाने या उम्र बढ़ने पर उभार के लिए उत्तरदायी हैं। बेलनाकार सेल के डिब्बे तत्वों में बेहतर यांत्रिक शक्ति, अच्छी आयामी स्थिरता और समान दबाव प्रदान करते हैं।

कोटिंग ऑपरेशन कॉइल की लंबाई से मेल खाने के लिए बाधित कोटिंग का उत्पादन करता है। घुमावदार मशीनों को कैथोड और एनोड के सूखे जंबो रोल और विभाजक (25 मिमी या उससे कम मोटाई, या तो पीपी या पीई या मिश्रित) के उपयोग के लिए स्वचालित रूप से संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

फ़ॉइल के अनकोटेड सेक्शन पर टैब्स को वेल्ड करके ऑपरेशन शुरू होते हैं। घुमावदार मशीन तब पट्टी को उचित लंबाई में काटती है और संयोजन एनोड-सेपरेटर-कैथोड को जेलीरोल फैशन में एक तंग कॉइल या बॉबिन में घुमाती है। जैसे-जैसे घाव का कोर व्यास में बढ़ता है, घुमावदार मशीन स्वचालित रूप से निरंतर तनाव बनाए रखने के लिए क्षतिपूर्ति करती है क्योंकि व्यास पर निकट सहिष्णुता के लिए कुंडल व्यास में बढ़ता है। प्रिज्मीय कोशिकाओं के लिए अण्डाकार हवा एक अधिक जटिल और धीमी प्रक्रिया है।

वाइंडिंग के बाद, कॉइल को कैन में डालने से पहले आंतरिक शॉर्ट्स के लिए जाँच की जाती है। एक स्थिर सतह प्रदान करने के लिए स्टील के डिब्बे साफ और निकल-प्लेटेड होने चाहिए और सेल असेंबली से पहले जंग को कम कर सकते हैं। एनोड लेड को कैन के नीचे वेल्ड किया जाता है और कैथोड लेड को सेफ्टी वेंट में वेल्ड किया जाता है। इलेक्ट्रोलाइट को अर्ध-इकट्ठे सेल में जोड़ा जाता है। विधानसभा शीर्ष कवर के समेटने के साथ समाप्त हो गई है।

संभावित सेल दोषों की प्रारंभिक अस्वीकृति एक आर्थिक उपाय है और खराब कोशिकाओं पर अधिक काम को रोकता है। बोबिन को कैन में डाला जाता है ताकि कैन तत्व के घटकों को एक साथ रखने के लिए निरंतर दबाव प्रदान करे, इस प्रकार उनके बीच रिक्तियों के किसी भी अवसर को समाप्त कर देता है। कुछ निर्माता कुंडल के केंद्र को स्थिर करने के लिए एक खराद का धुरा सम्मिलित कर सकते हैं।

जब तक सभी ऑपरेशन सूखे कमरे या सूखे बॉक्स में नहीं किए जाते हैं, इलेक्ट्रोलाइट भरने की प्रक्रिया से पहले सक्रिय सामग्री में अवशोषित पानी को गर्मी और वैक्यूम द्वारा हटा दिया जाना चाहिए।

इलेक्ट्रोलाइट की सटीक वैक्यूम फिलिंग यह सुनिश्चित करने के लिए की जाती है कि इलेक्ट्रोलाइट में प्रवेश हो और विभाजक और इलेक्ट्रोड संरचनाओं में उपलब्ध सरंध्रता को पूरी तरह से भर दे। सटीक पंप अच्छे सेल संचालन के लिए आवश्यक इलेक्ट्रोलाइट की गणना की मात्रा को मीटर करते हैं। अनिवार्य रूप से सभी निर्माता LiPF 6 (एक अकार्बनिक सफेद क्रिस्टलीय यौगिक) को इलेक्ट्रोलाइट और चक्रीय (EC, एथिलीन कार्बोनेट) या रैखिक कार्बोनेट (DMC, डाइमिथाइल कार्बोनेट, DEC, डायथाइल कार्बोनेट, या EMC, एथिल-मिथाइल कार्बोनेट, आदि) के रूप में नियोजित करते हैं। इस इलेक्ट्रोलाइट नमक के लिए सॉल्वैंट्स।

डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी) और/या डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी) के साथ एथिलीन कार्बोनेट (ईसी) के विलायक मिश्रण पर आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स आमतौर पर लिथियम आयन बैटरी के लिए “4 वी” कैथोड (कोबाल्टेट, निकेलेट और मैंगनेट) के संयोजन के कारण उपयोग किए जाते हैं। सॉल्वैंट्स की उच्च ऑक्सीकरण क्षमता।

सेल को इलेक्ट्रोलाइट से भरने के बाद, सेल कैन और शीर्ष प्लेट के बीच रखे पॉलीमर गैस्केट या ग्रोमेट के नियंत्रित संपीड़न द्वारा सेल को सील कर दिया जाता है। बहुलक गैसकेट सील पर दबाव को बहुलक की लोचदार सीमा के भीतर रखने के लिए नियंत्रित किया जाता है। यदि लोचदार सीमा पार हो जाती है, तो बहुलक ठंड बहती है और मुहर से समझौता करती है।

प्रत्येक निर्माता कोशिकाओं को सील करने के लिए कुछ अलग यांत्रिक निर्माण का उपयोग करता है लेकिन अंतिम परिणाम अनिवार्य रूप से समान होते हैं। आमतौर पर, कोशिका के शीर्ष के पास एक कंधे या कगार का निर्माण होता है। यह सील के लिए आधार के रूप में कार्य करता है और जेलीरोल को जगह में रखता है और कंपन और झटके के प्रभाव में टेलिस्कोपिंग या घाव बॉबिन की स्थिति को बदलने से रोकता है।

स्थिति में कोई भी बदलाव वर्तमान वितरण में बदलाव का कारण बनता है और परिणामस्वरूप खराब चक्र जीवन या उच्च प्रदर्शन कोशिकाओं में लिथियम चढ़ाना होता है। सेल टॉप प्लेट सील में एक वेंट, एक सकारात्मक तापमान गुणांक तत्व (PTC) और एक करंट इंटरप्ट (CID) सुरक्षा उपकरण होते हैं। CID और PTC दोनों ही सुरक्षा उपकरण हैं जिन्हें खतरनाक तापमान और दबाव को सेल में आंतरिक रूप से विकसित होने से रोकने और सक्रिय करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। शीर्ष असेंबली में शामिल करने से पहले उचित संचालन के लिए प्रत्येक बहुत सारे उपकरणों की जाँच की जाती है।

सील लगाने के बाद कोशिकाओं को धोया, जैकेट और लेबल किया जा सकता है। निर्माण के दिन का पता लगाने और सभी सेल घटकों (इलेक्ट्रोड सामग्री, इलेक्ट्रोलाइट, विभाजक और इसी तरह) की पहचान करने के लिए उन्हें एक सीरियल नंबर दिया जाता है। क्षमता और वोल्टेज की जानकारी सेल नंबर के साथ संग्रहीत की जाती है और बाद में पैक असेंबली के लिए कोशिकाओं से मिलान करने के लिए उपयोग की जाती है।

कोशिकाओं को लंबे समय तक चलने वाली भली भांति बंद सील प्रदान करने के लिए कांच से धातु की मुहरों के साथ लेजर वेल्ड किया जा सकता है। बड़ी कोशिकाओं के साथ, दुरुपयोग की स्थिति में भी सुरक्षित संचालन सुनिश्चित करने के लिए अधिक सावधानी बरती जानी चाहिए।
जबकि ऊपर, प्रक्रियाओं को पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली छोटी सीलबंद कोशिकाओं के लिए दर्शाया गया है, ऊर्जा भंडारण, स्थान और ईवी अनुप्रयोगों के लिए बड़ी औद्योगिक बैटरी की प्रक्रिया समान सामान्य रूपरेखा का पालन करती है।

लिथियम आयन बैटरी - गठन और उम्र बढ़ने

इकट्ठे होने पर, ली आयनों को एनोड कार्बन में डोप नहीं किया जाता है और इसलिए सेल कोई वोल्टेज नहीं दिखाता है। प्रारंभिक चार्जिंग के दौरान, PAM LiCoO 2 से Li आयनों का एक हिस्सा Li 1 -x CoO 2 बनने के लिए खोल दिया जाता है और इन लिथियम आयनों को Li x C y बनने के लिए कार्बन एनोड (C y ) में डाल दिया जाता है। जब चार्जिंग वोल्टेज 4.1 से 4.2 V तक पहुंच जाता है, तो x का मान लगभग 0.5 होता है। (अर्थात, 50%) यह दर्शाता है कि LiCoO 2 से 50% Li का उपयोग किया गया है।

ध्यान देने योग्य एक अन्य पहलू यह है कि डोप किए गए लिथियम आयनों का एक हिस्सा वापस नहीं आता है और एनोड में रहता है। जहां, x-dx लिथियम आयन क्षमता में योगदान किए बिना रहते हैं। यह लगभग 10 से 20% अपरिवर्तनीय लिथियम है, जिसका अर्थ है कि प्रारंभिक चार्ज की दक्षता 80 से 90% है। दूसरे चक्र से, अपरिवर्तनीय राशि में वृद्धि नहीं होती है और सेल निर्माता द्वारा डिज़ाइन की गई 100% क्षमता दिखाता है।

धोने और जैकेटिंग के बाद, लेकिन गठन प्रक्रिया की शुरुआत से पहले, सभी कोशिकाओं के वोल्टेज और प्रतिबाधा को किसी भी दोषपूर्ण कोशिकाओं को हल करने के लिए दर्ज किया जाता है। कोशिकाओं को तब पहली बार चार्ज किया जाता है

(प्रारंभिक चार्जिंग या फॉर्मेशन चार्जिंग)। पहले चार्ज की शर्तें कम से कम दो कारणों से महत्वपूर्ण हैं:

1) सामान्य सेल ऑपरेशन के दौरान इलेक्ट्रोलाइट के साथ अनायास प्रतिक्रिया करने से बचाने के लिए एनोड पर ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (एसईआई) परत बनती है, और 2) यह सक्रिय सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट के बीच अच्छा विद्युत संपर्क स्थापित करती है। पहला चार्ज सेल को चार्ज करने के लिए निर्माता की अनुशंसित प्रक्रिया का पालन करता है लेकिन अक्सर कम करंट से शुरू होता है और फिर चार्ज अवधि में लगभग एक-तिहाई रास्ते में सामान्य चार्जिंग करंट तक बढ़ जाता है। गठन के बाद एक या दो और चक्रों के लिए चार्ज और डिस्चार्ज के लिए सेल वोल्टेज सीमा के भीतर साइकिल चलाना जारी रख सकते हैं।

गठन या साइकिल चालन के बाद, सेल वोल्टेज और क्षमता को मापा जाता है और सेल चयन प्रक्रिया में बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत किया जाता है। निर्माता के आधार पर उम्र बढ़ने की अवधि दो सप्ताह और एक महीने के बीच भिन्न होती है। भंडारण के बाद कोशिकाओं के वोल्टेज को फिर से मापा जाता है। भंडारण अवधि की शुरुआत और अंत में वोल्टेज में अंतर का उपयोग “सॉफ्ट-” या “माइक्रो-” शॉर्ट्स के साथ कोशिकाओं को सॉर्ट करने के लिए किया जाता है। आंतरिक शॉर्ट्स वाले सेल में भंडारण के बाद कम वोल्टेज होगा और खुद को सामान्य वोल्टेज और क्षमता वितरण से अलग कर देगा। गठन गैसों को हटाने के लिए गठन के बाद बड़ी कोशिकाओं को खाली करना आवश्यक हो सकता है।

असेंबली प्रक्रिया के विस्तृत विवरण के लिए, पाठकों को संदर्भित किया जाता है

  • कोरू नकाजिमा और योशियो निशि अध्याय 5 में: इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए ऊर्जा भंडारण प्रणाली, एड तेत्सुया ओसाका और माधव दत्ता, गॉर्डन और रीच साइंस पब्लिशर्स, एम्स्टर्डम, 2000।
  • लिथियम-आयन सेल उत्पादन प्रक्रियाएं, राल्फ जे. ब्रोड और काज़ुओ तगावा, अध्याय 9: लिथियम-आयन बैटरियों में अग्रिम, वाल्टर ए. वैन शाल्कविज्क और ब्रूनो स्क्रोसैटी (एड्स), क्लूवर अकादमिक प्रकाशक, न्यूयॉर्क, पीपी. 273, 2002 .
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