لتیم آئن بیٹری کیسے کام کرتی ہے۔
عوامی ڈومین میں خیال یہ ہے کہ لیڈ ایسڈ بیٹریاں پرانی ٹیکنالوجی ہیں۔ لیتھیم آئن بیٹری کا تصور مختلف ہے، یہ جدید، صاف ستھری ہے، اس میں توانائی کی کثافت سے 3 یا 4 گنا زیادہ ہے اور سائیکل کی طویل زندگی ہے۔ ان سب کے ساتھ، 150 سال پرانی لیڈ ایسڈ ٹیکنالوجی میز پر کیا ممکنہ فوائد لا سکتی ہے؟ ٹھیک ہے، اصل میں، سب کچھ ایسا نہیں ہے جیسا کہ لگتا ہے، مارکیٹنگ کے دعووں میں استعمال ہونے والے ڈیٹا کی سرخیوں کے پیچھے دیکھیں، پھر تھوڑی سی عقل، بنیادی تحقیق اور کچھ ابتدائی سائنس کا اطلاق کریں۔ آپ دیکھیں گے کہ اصل کہانی کچھ اور ہے۔
پہلی غلط فہمی والیومیٹرک اور مخصوص توانائی کی کثافت سے متعلق ہے۔ 4 سے 5 بار کی سرخی کی قدروں کا تعلق صرف مخصوص توانائی کی کثافت اور محدود تعداد میں لیتھیم آئن بیٹری کیمسٹری سے ہے، جن میں سے کچھ اب بھی تجارتی استعمال میں نہیں ہیں۔ انجیر. 2 لیتھیم آئن بیٹری سیلز کے لیے کئی کیتھوڈس کا موازنہ کرتا ہے جو کہ محفوظ ترین Li-FePO4 کیمسٹری کے لیے تقریباً 100Wh/kg سے لے کر نکل-کوبالٹ-ایلومینیم آکسائیڈ ویریئنٹ کے لیے 200Wh/kg سے زیادہ ہیں۔ لیڈ ایسڈ بیٹری کا خاکہ ذیل میں دیا گیا ہے:
یہ اقدار صرف سنگل سیل لیول پر لاگو ہوتی ہیں، پیک یا ان سروس کنڈیشن پر نہیں۔ انجیر. 3 سیل اور سسٹم کی سطح پر مختلف بیٹری کیمسٹریوں کی توانائی کی کثافت کو ظاہر کرتا ہے۔ لیتھیم آئن بیٹری سیلز کی توانائی کی کثافت عملی طور پر آدھی رہ جاتی ہے جب تمام کنکشن، کولنگ، سیفٹی اور بیٹری کے انتظام کے آلات کے ساتھ مکمل طور پر انسٹال ہو جاتے ہیں۔
مخصوص توانائی کی کثافت سے 3 سے 5 گنا سیل لیول کا فائدہ 2 سے 3 گنا تک کم ہو جاتا ہے۔ لیتھیم کیتھوڈ کیمسٹری پر انحصار کرتے ہوئے ہم تقریباً کچھ ایپلی کیشنز میں مکمل طور پر نصب بیٹری سسٹم کے لیے لیتھیم آئن بیٹریوں اور لیڈ ایسڈ بیٹریوں کی توانائی کی کثافت کے درمیان برابری کو دیکھ سکتے ہیں۔
دوسرا عنصر، سائیکل زندگی کا، بھی الجھن کا ایک ذریعہ ہے۔ لیتھیم آئن بیٹری اپنی نیم پلیٹ کی درجہ بندی کے 80% سے کم ہونے سے پہلے کتنے چکر لگا سکتی ہے؟ دو، تین ہزار؟ جدول 1 کارکردگی اور سائیکل کی زندگی کے لیے مختلف لی آئن کیتھوڈ مواد کا خلاصہ دیتا ہے۔
لیڈ ایسڈ بیٹری کیمسٹری کے فوائد
بیٹریاں عجیب ڈیوائسز ہیں۔ کوئی بھی انہیں نہیں چاہتا، لیکن سب کو ان کی ضرورت ہے۔ وہ صرف ضرورت کے وقت خریدے جاتے ہیں۔ کتنے لوگ بیٹریوں کے لیے مقامی مال سے ونڈو شاپ کے سفر کا منصوبہ بناتے ہیں؟ یہ ایک رنجش کی خریداری ہیں اور صرف اس وقت خریدی جاتی ہیں جب بالکل ضروری ہو۔ اگر آپ کے پاس پیسے ہوں تو ایک اچھا سیلز مین آپ کو دو جوڑے جوتے، دو کاریں اور شاید دو گھر بیچ سکتا ہے، لیکن وہ آپ کو دو SLI آٹوموبائل بیٹریاں نہیں بیچ سکتا۔ جب آپ بیٹری خریدتے ہیں چاہے سولر پینل کے لیے سولر بیٹری ہو، الیکٹرک بائیک ہو یا UPS اور انورٹر بیٹری بیک اپ سسٹم ہو یا فورک لفٹ کے لیے کرشن بیٹری ہو، کیا آپ نہیں چاہتے کہ آپ اس کے بارے میں مزید جان سکیں؟
لیڈ ایسڈ بیٹریاں کیسے کام کرتی ہیں، اقسام اور ماڈلز میں کیا فرق ہے، اور مختلف کیمسٹریوں کے بارے میں کیا خیال ہے؟ وہ مہنگے ہو سکتے ہیں۔ تجارتی یا گھریلو ایپلی کیشن میں ادائیگی کیا ہے، لیڈ ایسڈ بیٹری کو تبدیل کرنے کی زندگی اور قیمت کیا ہے؟ آپ کو جس سائز کی ضرورت ہے، دستیاب جگہ، لیڈ ایسڈ بیٹری کی توانائی کی کارکردگی اور ریچارج کا وقت؟ اور پھر، حفاظت، ضائع کرنے اور کاربن فوٹ پرنٹ کے پوشیدہ اخراجات ہیں۔ یہ مضمون لیڈ ایسڈ بیٹریوں کا لیتھیم آئن بیٹری سے موازنہ کرتا ہے اور ان دونوں کیمسٹریوں سے وابستہ بہت سی غلط فہمیوں کو دور کرتا ہے۔
کون سی لتیم آئن بیٹری بہترین ہے۔
| کیتھوڈ مواد | مختصر نام | برائے نام وولٹیج | مخصوص توانائی Wh/kg (سیل) | سائیکل کی زندگی | تبصرے |
|---|---|---|---|---|---|
| لتیم کوبالٹ آکسائیڈ (LiCoO2) | ایل سی او | 3.6 | 150-200 | 500-1000 | پورٹیبل ڈیوائسز - زیادہ چارج پر تھرمل رن وے |
| لیتھیم مینگنیج آکسائیڈ (LiMn2O4) | ایل ایم او | 3.7 | 100-150 | 300-700 | پاور ٹولز، طبی آلات - LCO سے زیادہ محفوظ |
| لتیم نکل مینگنیج کوبالٹ آکسائیڈ (LiNiMnCO2) | این ایم سی | 3.6/3.7 | 150-220 | 1000-2000 | ای بائک، ای وی، صنعتی - ہائی سائیکل لائف |
| لتیم آئرن فاسفیٹ (LiFePO4) | ایل ایف پی | 3.2 | 90-120 | 1000-2000 | EV, SLI, Leisure - تمام لتیم آئن بیٹری کیمسٹریوں میں سب سے محفوظ |
| لتیم نکل کوبالٹ ایلومینیم آکسائیڈ (LiNiCoAlO2) | این سی اے | 3.6 | 200-260 | 500 | صنعتی، ای وی پاور ٹرین (ٹیسلا) TR 150C، CL 500 پر |
| Lithium Titanate (Li4Ti5O12) | ایل ٹی او | 2.4 | 50-80 | UPS، سولر، EV پاور ٹرین (ہونڈا، مٹسوبشی)۔ CL 3000-7000 - بہت محفوظ |
جیسا کہ دیکھا جا سکتا ہے، سبھی 800 سے 2000 سائیکل رینج کے اندر آتے ہیں۔ اس کے مقابلے میں، اچھی طرح سے ڈیزائن کی گئی لیڈ ایسڈ بیٹری آسانی سے 1600 سے زیادہ سائیکل سے 80% DOD حاصل کر سکتی ہے۔ تو ملکیت کی قیمت پر غور کرتے وقت یہ سب کیسے شامل ہوتا ہے؟ یہ ہمیں اگلے نقطہ پر لے جاتا ہے جو لیڈ ایسڈ بیٹری کی قیمت ہے۔ لیڈ ایسڈ بیٹری کے مقابلے لیتھیم آئن بیٹری کی قیمت کتنی ہے؟ لتیم آئن بیٹری مینوفیکچرنگ پلانٹ کی لاگت؟ قدرتی طور پر، لیتھیم آئن بیٹری زیادہ مہنگی ہے لیکن کتنی زیادہ؟ ایک بار پھر، یہ اس سطح پر منحصر ہے جس پر غور کیا جا رہا ہے۔ پریس ریلیز ہمیں بتائے گی کہ لی-آئن کی قیمتیں گر رہی ہیں اور اب لیڈ ایسڈ سے 2-3 گنا کی حد میں ہیں۔
واقعی؟ لتیم آئن بیٹری اور لیڈ ایسڈ بیٹریوں دونوں کے لیے 12V اور 100 Ah کی کمرشل طور پر دستیاب تفریحی بیٹریوں پر قیمتیں حاصل کرنے کے لیے حالیہ یو کے انٹرنیٹ سرچ پر اوسط قیمتیں:
لیتھیم آئن بیٹری $960 یا $800/kwh
لیڈ ایسڈ بیٹری $215 یا $180/kwh
ظاہر ہے، اسی قدر حاصل کرنے کے لیے لیتھیم آئن بیٹری کی زندگی لیڈ ایسڈ بیٹری سے 4 گنا زیادہ ہونی چاہیے۔ جیسا کہ ہم نے دیکھا، ایسا نہیں ہے۔
تمام معاملات میں، لیڈ ایسڈ بیٹری کی تعمیر سب سے زیادہ سرمایہ کاری مؤثر تھی یہاں تک کہ جب ایک بڑی لیڈ ایسڈ بیٹری چارج کی بہتر قبولیت اور طویل سائیکل لائف فراہم کرنے کے لیے لگائی گئی ہو۔ اس مثال میں، ایپلیکیشن ہندوستان میں ٹیلی کام ٹاور تھی۔ یہی اصول زیادہ تر ایپلی کیشنز اور جغرافیوں میں درست ہے، زیادہ تر سرد موسموں میں۔ دوسری غلط فہمی یہ ہے کہ لی آئن ایک صاف ستھری ٹیکنالوجی ہے اور لیڈ ایسڈ سے کم آلودگی پھیلانے والی ہے۔ مختلف بیٹری کیمسٹریوں کے لیے کریڈل ٹو گیٹ کے اخراج کو انجیر میں دیا گیا ہے۔ 5 اور 6۔
یہ اعداد و شمار بیٹری کی تیاری کے لیے آپریشنز کی حد کو ظاہر کرتا ہے۔ خام مال کے نکالنے اور نقل و حمل سے لے کر پروسیسنگ کے تمام مراحل سے اس مقام تک جہاں بیٹریاں بھیجنے کے لیے تیار ہیں۔
جدول 2 زندگی کے مختلف ادوار میں کام کرنے والی لیتھیم آئن بیٹری اور لیڈ ایسڈ بیٹری کے استعمال کی معاشیات کا موازنہ کرنے والی حقیقی زندگی کی صورتحال ہے۔
| لاگت کی چیز | روزانہ چلانے کے اخراجات USD | روزانہ چلانے کے اخراجات USD |
|---|---|---|
| 3 سال | لیڈ ایسڈ بیٹری | لتیم آئن بیٹری |
| امرتائزیشن | 8.30 | 16.90 |
| ڈیزل (ڈیلیور کیا گیا) | 15.50 | 15.50 |
| دیکھ بھال | 2.46 | 2.46 |
| بجلی | 1.47 | 1.47 |
| بیٹری چارج ہو رہی ہے | 0.65 | 0.50 |
| کل دن/مہینہ | 28.38/851 | 36.83/1105 |
| 6 سال | ||
| امرتائزیشن | 5.86 | 8.46 |
| ڈیزل | 15.50 | 15.50 |
| دیکھ بھال | 2.46 | 2.46 |
| بجلی | 1.47 | 1.47 |
| بیٹری چارج ہو رہی ہے | 0.54 | 0.50 |
| کل دن/مہینہ | 25.83/775 | 28.39/852 |
Argonne نیشنل لیبارٹریز کے اس اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ لتیم آئن بیٹریوں کے خام مال کو نکالنے اور نقل و حمل سمیت کل مینوفیکچرنگ کا عمل لیڈ ایسڈ کی قیمت سے 4 گنا زیادہ ہے۔ مواد کو نکالنے کے بارے میں، بنیادی کیتھوڈ مواد جیسے کوبالٹ اور مینگنیج اور لیتھیم کی فراہمی مکمل طور پر یقینی نہیں ہے۔ نکالنے اور بازیابی کے عمل موجود ہیں لیکن اگر مانگ میں نمایاں اضافہ ہوتا ہے تو بارودی سرنگوں اور مینوفیکچرنگ سائٹس کی تعداد سپلائی کو محدود کر سکتی ہے۔ جیو پولیٹیکل نقشہ ان مواد کے کچھ ذرائع کے لیے غیر یقینی صورتحال کی بھی پیش گوئی کرتا ہے۔
کیا لتیم آئن بیٹری ری سائیکل ہو سکتی ہے۔
ان کیمسٹریوں کی ری سائیکلیبلٹی اور حفاظت اہم عوامل ہیں۔ یہ معلوم ہے کہ لیڈ ایسڈ بیٹریوں میں تقریباً تمام اجزاء 100% ری سائیکل ہوتے ہیں جبکہ لیتھیم آئن بیٹری کو ری سائیکل کرنے کے لیے کوئی تجارتی عمل نہیں ہوتا ہے۔ یہ صورت حال قابل فہم ہے جب آپ غور کریں کہ Li, Co, Mn وغیرہ کے زیادہ مہنگے اجزاء کل لیتھیم آئن بیٹری کا صرف ایک چھوٹا سا حصہ ہیں۔ مثال کے طور پر، لیتھیم سیل کے کل وزن کا تقریباً 4% ہے۔ اس میں یہ واضح حقیقت شامل کریں کہ لیتھیم انتہائی رد عمل ہے (اس کی اعلی توانائی کی کثافت کی بنیاد)، جس کی وجہ سے فضلہ سے نکالنا مہنگا پڑتا ہے۔
اس کی تعمیر میں بہت سے مختلف مواد کے ساتھ پیچیدگی کا اضافی عنصر ری سائیکلنگ کو تکنیکی اور اقتصادی طور پر مشکل بنا دیتا ہے۔ نتیجہ؟ ان بیٹریوں کو ری سائیکل کرنے کے لیے کوئی تجارتی ترغیب نہیں ہے۔ اس وجہ سے، ری سائیکلنگ کی سہولیات ابھی بھی پائلٹ مرحلے پر ہیں اور زیادہ تر حکومت کی طرف سے فنڈز فراہم کی جاتی ہیں۔
اس وقت، ختم شدہ لتیم آئن بیٹریوں کی اکثریت کو یا تو کسی تکنیکی پیش رفت یا ان کی ری سائیکلنگ پر مجبور کرنے کے لیے قانون سازی کے انتظار میں ذخیرہ کیا گیا ہے۔ اگر مؤخر الذکر کو لاگو کیا جائے گا تو آخر کار استعمال میں لاگت آئے گی۔ یہ لیڈ ایسڈ بیٹری کی اقسام کے مقابلے لی آئن سیل کی قیمت میں مزید اضافہ کرے گا۔
کیا لتیم آئن بیٹری پھٹ سکتی ہے۔
آخر کار، ہمارے پاس حفاظت ہے۔ ہمارے علم میں کسی بھی لیڈ ایسڈ بیٹری کی ایپلی کیشنز کو کبھی بھی حفاظتی یاد نہیں آیا جیسا کہ ہم جانتے ہیں کہ پورٹیبل الیکٹرانک آلات اور یہاں تک کہ الیکٹرک گاڑیوں میں لی-آئن بیٹری کا معاملہ ہے۔ انجیر. 7 دکھاتا ہے کہ اس مضمون کو لکھنے کے وقت صرف چند ہفتے قبل برطانیہ میں ایک نئے ہائبرڈ وولوو کے ساتھ کیا ہوا تھا۔ اس معاملے میں اس کی لیتھیم آئن بیٹریوں کو چارج ہونے پر آگ لگ گئی۔
لیتھیم آئن بیٹری میں آگ لگ جاتی ہے۔
تصویر 7 وولوو ہائبرڈ الیکٹرک گاڑی میں لی آئن بیٹری کی وجہ سے لگنے والی آگ: اپریل 2018-برطانیہ کی رہائش گاہ
اس ویڈیو میں لیتھیم بیٹری کی وجہ سے لگنے والی ایک بہت ہی حالیہ آگ کو دکھایا گیا ہے۔ ممکنہ طور پر خلیوں میں عدم توازن اور غلط BMS کی وجہ سے۔
یہاں تک کہ جب لیتھیم آئن بیٹریوں کو ذخیرہ یا منتقل کیا جاتا ہے تو شدید خطرناک آگ کا سبب بنی ہے۔ جب کہ یہ مواقع نایاب ہوتے ہیں، انہیں تسلیم کرنا ہوگا، اور مناسب حفاظتی سامان اور بیٹری مینجمنٹ سوفٹ ویئر انسٹال کرنا ہوگا۔ مثال کے طور پر نیویارک کا فائر ڈیپارٹمنٹ ابھی بھی یہ فیصلہ کرنے کے عمل میں ہے کہ لیتھیم آئن بیٹریوں کی آگ سے کیسے نمٹا جائے۔ یہ سختی سے تجویز کرے گا کہ دنیا بھر میں لیتھیم آئن بیٹریوں کے لیے موجودہ حفاظتی اقدامات پر نظرثانی کی ضرورت ہے۔
نیویارک کے فائر ڈپارٹمنٹ کا نقطہ نظر درج ذیل ہے:
نیوز آرٹیکل کا حوالہ: AWS یوٹیلیٹی ڈرائیو نومبر 15، 2016 "آگ سب سے بڑا مسئلہ نہیں ہے،” راجرز نے کہا۔ فائر فائٹرز کو آگ سے نمٹنے کے لیے تربیت دی جاتی ہے، لیکن انھیں یہ جاننے کی ضرورت ہے کہ وہ کس چیز سے نمٹ رہے ہیں۔ لی آئن بیٹریاں زہریلے تیزاب اور آتش گیر بخارات چھوڑ سکتی ہیں۔ ان میں سے کچھ بخارات آگ سے بھسم ہو جاتے ہیں، لیکن اگر وہ نہیں ہیں، تو وہ بھڑک سکتے ہیں یا فائر فائٹرز کے لیے ایک مسئلہ بن سکتے ہیں۔ سب سے بڑا مسئلہ یہ ہے کہ کیا ہوتا ہے "پوسٹ اپ” یعنی آگ بجھ جانے کے بعد۔ راجرز نے کہا کہ یہاں تک کہ اگر بیٹری بند ہو جائے تو یہ 72 گھنٹے تک دوبارہ جل سکتی ہے۔ -لیفٹیننٹ پال راجرز فائر ڈپارٹمنٹ آف نیویارک کے خطرناک مواد کے آپریشنز ڈویژن”
لیتھیم آئن بیٹری یا لیڈ ایسڈ بیٹری؟
لیتھیم آئن بیٹری یقینی طور پر لیڈ ایسڈ سے بہتر کارکردگی کی خصوصیات رکھتی ہے۔ تاہم، حفاظت اور انتظامی تقاضوں سے وابستہ اضافی ہارڈ ویئر کی وجہ سے یہ فوائد شدید طور پر کم ہو گئے ہیں۔ خالص نتیجہ یہ ہے کہ لیڈ ایسڈ بیٹریوں کے الگ الگ فوائد ہیں، خاص طور پر جب ان ایپلی کیشنز پر غور کیا جائے جو وزن یا چارج قبولیت سے محدود نہیں ہیں۔ لیڈ ایسڈ بیٹری مینوفیکچرنگ پلانٹ کی لاگت کی کم ابتدائی قیمت؛ لیڈ ایسڈ کی کم خریداری کی قیمت اور اس کے کم ماحولیاتی اثرات اور موروثی حفاظت کے ساتھ مل کر، درج ذیل فوائد فراہم کرتے ہیں:
- خریداری کی کم قیمت۔ قیمت لی-آئن کے ایک چوتھائی کے لگ بھگ ہے۔ زیادہ تر درخواستوں میں ملکیت کی کم لاگت دینے کے لیے کم آپریٹنگ اخراجات۔
- ری سائیکلیبلٹی لیڈ ایسڈ بیٹری کے تمام مواد کا تقریباً 100% ری سائیکل کیا جاتا ہے۔ سکریپ کی قیمت بیٹری کے مواد کی قیمت کے 20% تک اضافی آمدنی فراہم کر سکتی ہے۔ لتیم بیٹریوں میں ری سائیکلنگ کے لیے کوئی بنیادی ڈھانچہ یا تجارتی عمل نہیں ہے۔
- حفاظت لیڈ ایسڈ کی کیمسٹری لتیم آئن بیٹری کی نسبت فطری طور پر زیادہ محفوظ ہے۔
- پائیداری۔ لیڈ ایسڈ کی فراہمی کے بہت سے اچھے ذرائع ہیں، خاص طور پر ری سائیکلنگ کی سہولیات سے۔ لیتھیم اور دیگر کیتھوڈ مواد سیاسی طور پر حساس علاقوں سے سپلائی کیا جا سکتا ہے۔ موجودہ عالمی مواد نکالنے اور مینوفیکچرنگ کی صلاحیت دونوں لیتھیم آئن بیٹری کی پیداوار میں تیزی سے اضافے کی حمایت نہیں کریں گی۔
- کاربن اثرات. لیڈ ایسڈ بیٹری کی تیاری میں لیتھیم آئن بیٹریوں کے ایک تہائی کاربن فوٹ پرنٹ کو گیٹ کرنے کا جھولا ہوتا ہے۔
لیتھیم آئن بیٹری کمپنیوں کی پینٹ کردہ تصویر سے مختلف۔ اگرچہ یہ بحث نہیں کی جا سکتی کہ لیڈ ایسڈ کا توانائی کی کثافت میں کوئی نقصان ہے، حقیقت یہ ہے کہ لیڈ ایسڈ بیٹری اب بھی ایک انتہائی محفوظ، مسابقتی اور بہت سی ایپلی کیشنز میں بیٹری ٹیکنالوجی کا بہترین انتخاب ہے۔
لتیم آئن بیٹری کیا ہے؟
کیتھوڈ اور انوڈ مواد: اگرچہ نکل میٹل ہائیڈرائڈ (Ni-MH) خلیات کو ابتدائی طور پر 1990 کی دہائی میں پسند کیا گیا تھا، دنیا کی پہلی تجارتی لیتھیم آئن ریچارج ایبل بیٹری پروڈکٹ کو سونی کارپوریشن نے 1991 میں جاری کیا تھا۔ اعلی توانائی کے مواد کے علاوہ، بڑے پیمانے پر اور حجم دونوں کے لحاظ سے، یہ بیٹری بہترین کم درجہ حرارت کی خصوصیات، بوجھ کی خصوصیات اور سائیکل کی خصوصیات بھی پیش کرتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، اس نے تیزی سے مارکیٹ کو اپنی لپیٹ میں لے لیا اور آڈیو اور ویڈیو آلات، پرسنل کمپیوٹرز، پورٹیبل ٹیلی فون اور دیگر پورٹیبل آلات کے لیے طاقت کا ایک ناگزیر ذریعہ بن گیا۔
آج کی جدید بیٹری ٹکنالوجی کا آغاز NaAl 11 O 17 کے ٹھوس مرحلے کی اعلی آئنک چالکتا کی دریافت کے ساتھ ہوا، جسے سوڈیم β-alumina کہا جاتا ہے، کمر اور فورڈ موٹر کمپنی لیبارٹری کے ساتھی کارکنوں کے ذریعے۔ [1. کیمسٹری کے نوبل انعام پر اولوف رامسٹرومسٹروم، کیمسٹری 2019 میں نوبل انعام پر سائنسی پس منظر؛ 2. YFY Yao اور JT Kummer، J. Inorg. نیوکل کیم 29, 2453 (1967)]
اس سے یہ احساس ہوا کہ ٹھوس اشیاء میں آئنک نقل و حمل درحقیقت بہت تیز ہو سکتی ہے، اور یہ مختلف قسم کی نئی ٹیکنالوجیز کا باعث بن سکتی ہے۔ اس کے فوراً بعد، فورڈ کے محققین نے یہ ظاہر کیا کہ کوئی بھی مکمل طور پر نئی قسم کی بیٹری بنانے کے لیے ایک انتہائی کنڈکٹنگ ٹھوس الیکٹرولائٹ کا استعمال کر سکتا ہے، منفی الیکٹروڈ پر پگھلا ہوا سوڈیم اور سلفر میں سوڈیم کے پگھلے ہوئے محلول کو مثبت الیکٹروڈ کے طور پر استعمال کر سکتا ہے، سوڈیم کنڈکٹنگ کے ساتھ۔ درمیان میں ٹھوس الیکٹرولائٹ [N. ویبر اور جے ٹی کمر، پرو سی۔ سالانہ پاور سورسز کانفرنس 21، 37 (1967)]۔
جیسا کہ توقع کی جا سکتی ہے، جلد ہی یکساں لیتھیم سسٹمز کے امکان پر غور کیا گیا، کیونکہ یہ تسلیم کیا گیا تھا کہ بصورت دیگر مساوی لیتھیم سیل کو سوڈیم سیل سے زیادہ وولٹیج پیدا کرنا چاہیے۔ اس کے علاوہ، لیتھیم کا وزن سوڈیم سے کم ہے، ایک اور فائدہ۔
عنصری لتیم اس کے کم پگھلنے کے نقطہ کی وجہ سے استعمال نہیں کیا جا سکتا ہے۔ اس کے بجائے، ٹھوس لتیم مرکبات، بنیادی طور پر Li/Si اور Li/Al نظاموں کی چھان بین کی گئی [ RA Huggins, J. Power Sources 81-82, 13 (1999)]۔
اس وقت مثبت الیکٹروڈ ری ایکٹنٹس کے طور پر متعدد مواد کی چھان بین کی گئی تھی، جس میں زیادہ تر توجہ FeS یا FeS 2 کے استعمال پر دی گئی تھی۔ لتیم کے ساتھ رد عمل کے بعد، یہ مواد دوبارہ تشکیل دینے والے رد عمل سے گزرتے ہیں، ابتدائی مراحل کے غائب ہونے اور نئے کی تشکیل کے ساتھ۔DR Vissers, Z. Tomczuk اور RK Steunenberg, J. Electrochem. Soc 121, 665 (1974)]
لیتھیم آئن بیٹری کب ایجاد ہوئی؟
پروفیسر وائٹنگھم نے ایسے مواد میں الیکٹرو کیمیکل انٹرکلیشن کی کھوج کی اور 1973 میں بیٹریوں میں الیکٹروڈ جیسے مواد کی تجویز پیش کی۔ اس کام کے نتیجے میں 1976 میں ایک کام کرنے والی، ریچارج ایبل بیٹری بنی۔ کامیاب سیل لتیم دھات پر مشتمل تھا بطور اینوڈ اور ٹائٹینیم سلفائیڈ (TiS 2 ) کیتھوڈ کے طور پر، جس میں لتیم ہیکسافلووروفاسفیٹ ( LiPF 6 ) بطور سالوینٹ پروپیلین کاربونیٹ (PC) میں الیکٹرولائٹ تھا۔ ان امید افزا مطالعات نے وائٹنگھم کو بیٹریوں میں الیکٹروڈ جیسے مواد میں الیکٹرو کیمیکل انٹرکلیشن کو تلاش کرنے کی ترغیب دی۔ ایک کام کرنے والی، ریچارج ایبل بیٹری بعد میں 1976 میں دکھائی گئی۔
وائٹنگھم، ایم ایس الیکٹرو انٹرکلیشن ان ٹرانزیشن میٹل ڈسلفائیڈز۔ جے کیم Soc.، Chem. کمیون 1974، 328–329۔] (ایکسن ریسرچ اینڈ انجینئرنگ کمپنی کے ساتھ)۔
(b)Whittingham، MS Batterie à Base de Chalcogénures. بیلجیم پیٹنٹ نمبر 819672، 1975۔
(c)وائٹنگھم، ایم ایس الیکٹریکل انرجی سٹوریج اینڈ انٹرکلیشن کیمسٹری۔ سائنس 1976، 192 (4244)، 1126–1127۔
لیکن کامیابی قلیل المدتی تھی۔ بار بار سائیکل چلانے پر، دھاتی لتیم سائیکلنگ پر دھات کی سطح پر ڈینڈرائٹس بناتا ہے، جس کے نتیجے میں شارٹ سرکٹ ہوتے ہیں۔
اس مسئلے نے متبادل حل اور "آئن ٹرانسفر سیل” کنفیگریشن (جسے "راکنگ چیئر” بھی کہا جاتا ہے) سیلز کی نئی تلاش کو تحریک دی، جہاں دونوں الیکٹروڈ آئنوں کو ایڈجسٹ کر سکتے ہیں تجویز کیا گیا تھا۔
اگر ایک مثبت الیکٹروڈ مواد میں ابتدائی طور پر لتیم ہوتا ہے اور پہلی چارجنگ کے دوران کچھ یا تمام لتیم کو ہٹا دیا جاتا ہے، تو سیل میں صلاحیت پیدا ہوتی ہے۔ لہذا، مثبت الیکٹروڈ مواد کا ہونا ممکن ہے جو تقریباً 3V سے زیادہ پوٹینشل پر لیتھیم کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتا ہے، اگر ان میں پہلے سے ہی لتیم موجود ہو، اور اس لتیم کو الیکٹرو کیمیکل طور پر نکالا جا سکتا ہے۔
لیتھیم آئن بیٹری کس نے ایجاد کی؟
یہ نقطہ نظر، جس میں ایسے مواد کا استعمال شامل ہے جس میں لتیم پہلے سے موجود ہے، سب سے پہلے پروفیسر Goodenough نے ظاہر کیا تھا۔ ابتدائی طور پر لیتھیم پر مشتمل مواد کی پہلی مثالیں، اور الیکٹرو کیمیکل طور پر ان سے لتیم کو حذف کرنا، 1980 میں Li1−xCoO2 پر کام تھا۔
[K. میزوشیما، پی سی جونز، پی جے وائزمین اور جے بی گوڈینف، میٹر۔ Res. بیل. 15, 783 (1980)] اور Li1−xNiO2
[JB Goodenough, K. Mizushima and T. Takada, Jpn. J. Appl طبیعات 19 (سپلائی 19-3)، 305 (1980)]
انوڈ کی نشوونما کے ساتھ ساتھ، دھاتی لیتھیم سے زیادہ صلاحیت والے انوڈس کے ساتھ مل کر ایک اعلی سیل ایم ایف حاصل کرنے کے لیے بہتر کیتھوڈ مواد کی بھی تلاش کی گئی۔ 1979/1980 میں ایک پیش رفت سامنے آئی جب آکسفورڈ میں جان بی گوڈینف اور ان کے ساتھی کارکنان
یونیورسٹی، یو کے، نے دریافت کیا کہ LixCoO2، قسم MX2 کا ایک اور انٹرکیلیٹڈ میٹل چالکوجینائیڈ، کیتھوڈ مواد کے طور پر کام کر سکتا ہے۔
[Godenof, JB; میزوشیما، K. فاسٹ آئن کنڈکٹرز۔ امریکی پیٹنٹ نمبر 4,357,215, 1982]۔
میزوشیما، K. جونز، پی سی؛ Wiseman, PJ; Goodenough, JB LixCoO2 (0<x<-1): ایک نیا
اعلی توانائی کی کثافت والی بیٹریوں کے لیے کیتھوڈ مواد۔ میٹر Res. بیل. 1980، 15 (6)، 783–789]۔
مواد کی ساخت لی کے مشابہ تھی۔x TiS2 کوبالٹ ڈائی آکسائیڈ (CoO2 ) پرتیں جن میں لتیم آئنوں کو بغیر کسی جالی کی توسیع کے پابند کیا جاسکتا ہے۔ Goodenough نے استدلال کیا کہ جب MX میں X2 ایک چھوٹا برقی منفی عنصر ہے، جس کے نتیجے میں کیٹیشن اپٹیک کا عمل ایک بڑی منفی آزاد توانائی کی تبدیلی اور ایک اعلی سیل وولٹیج (ΔG = -nFE) سے وابستہ ہوگا۔ آکسیجن کے X کے ساتھ، صورت حال کو خاص طور پر امید افزا سمجھا جاتا تھا، یہ بھی دیکھتے ہوئے کہ لتیم آئنوں کو قریب سے بھری آکسیجن صفوں میں کافی حد تک متحرک رہنے کی تجویز دی گئی تھی۔
استدلال درست ثابت ہوا، اور CoO2 مواد نے Li+/Li کی نسبت ~ 4 سے 5 V کی بہت زیادہ صلاحیت ظاہر کی۔ الیکٹرو کیمیکل اسٹڈیز اس معاملے میں پروپیلین کاربونیٹ میں لیتھیم ٹیٹرافلووروبوریٹ (LiBF4) پر مشتمل الیکٹرولائٹ کے ساتھ کی گئیں۔
اس دریافت نے لتیم دھات سے زیادہ صلاحیتوں کے ساتھ انوڈ مواد کے استعمال کو قابل بنایا، مناسب کاربونیسیئس مواد کی تلاش کو آگے بڑھایا۔ گریفائٹ کے الیکٹرو کیمیکل انٹرکلیشن کے مسئلے کو حل کرنے میں دشواری پر غور کرتے ہوئے، اس کے بجائے دوسرے اختیارات کی چھان بین کی گئی۔
لیتھیم آئن بیٹری کہاں ایجاد ہوئی؟
1985 میں ایک پیش رفت اس وقت ہوئی جب اکیرا یوشینو (آساہی کاسی کارپوریشن کے) کی سربراہی میں ایک جاپانی گروپ نے بخارات سے پیدا ہونے والے کاربن فائبرز (VGCF) اور بعد میں گرمی سے علاج شدہ پیٹرولیم کوک دریافت کیا۔ مؤخر الذکر مواد میں کرسٹل لائن (گرافیٹک) اور غیر کرسٹل لائن ڈومینز کے مرکب پر مشتمل جانا جاتا تھا، اور محققین خاص طور پر مستحکم، پھر بھی اعلی کارکردگی کا مظاہرہ کرنے والی، کرسٹل کی مخصوص ڈگریوں کے ساتھ خصوصیات کی شناخت کر سکتے تھے۔
[اکیرا یوشینو، دی برتھ آف لی-آئن بیٹری، اینجیونڈٹے اسیز، اینجیو، کیم۔ انٹر ایڈ.، 2012 ، 51، 5798-5800]
ان موثر اینوڈ مواد کے ساتھ، یوشینو نے آئن ٹرانسفر سیل کنفیگریشن کی بنیاد پر ایک موثر، کام کرنے والی لیتھیم آئن بیٹری تیار کی۔ اس طرح شناخت شدہ کاربونیسیئس مواد کو انوڈ کے طور پر استعمال کیا گیا اور Goodenough’s LixCoO2 مواد (عام طور پر ٹن کی تھوڑی مقدار پر مشتمل) کو کیتھوڈ کے طور پر استعمال کیا گیا۔ پولی تھیلین یا پولی پروپیلین پر مشتمل الگ کرنے والی پرتیں استعمال کی گئیں اور الیکٹرولائٹ پروپیلین کاربونیٹ (PC) میں لیتھیم پرکلوریٹ (LiClO4) پر مشتمل تھی۔
یوشینو نے بھی 1986 میں بیٹری پر وزن گرا کر اس بیٹری کی حفاظت کو ثابت کیا۔ کوئی آگ یا دھماکہ نہیں ہوا جبکہ لیتھیم میٹل اینوڈ استعمال کرنے والی بیٹریوں نے پرتشدد ردعمل ظاہر کیا۔
تصویر 8۔ یوشینو کا 1986 میں اپنی لی آئن بیٹری کے ساتھ پہلا حفاظتی ٹیسٹ۔
A) جس لمحے لوہے کا گانٹھ بیٹری سے ٹکراتا ہے۔
B) تصادم کے بعد پروٹوٹائپ لی آئن بیٹری
C) تصادم کے بعد دھاتی لی اینوڈ بیٹری
[کریڈٹ: اکیرا یوشینو، دی برتھ آف لی-آئن بیٹری، اینجیونڈٹے ایسز، اینجیو، کیم۔ انٹر ایڈ.، 2012، 51، 5798-5800]
یہ دریافتیں اور پیشرفت بالآخر تجارتی لتیم بیٹری کی رہائی کا باعث بنی۔
1991 میں مزید ترقی کے ساتھ، لی-آئن بیٹری کو 1991 میں سونی نے اور 1992 میں Asahi Kasei اور Toshiba کے مشترکہ منصوبے کے ذریعے تجارتی بنایا گیا۔
نیشی، وائی، لیتھیم آئن سیکنڈری بیٹریوں کی ترقی۔ کیم Rec 2001، 1، 406-413]
بیٹری ایک پیٹرولیم کوک پر مبنی اینوڈ مواد، کیتھوڈ کے طور پر LixCoO2، اور پروپیلین کاربونیٹ (PC) میں لیتھیم ہیکسافلووروفاسفیٹ (LiPF6) پر مشتمل پانی سے پاک الیکٹرولائٹ پر مبنی تھی۔ چارجنگ وولٹیج زیادہ تھا (4.1 V تک)، ریکارڈ شدہ مخصوص توانائی ~ 80 Wh/kg اور توانائی کی کثافت ~ 200 Wh/ لیٹر تھی۔
اس وقت مارکیٹ میں موجود دیگر بیٹریوں کے مقابلے، لیتھیم بیٹری بہت تیزی سے مسابقتی بن گئی اور بنیادی طور پر آنے والے موبائل انقلاب کی راہ ہموار کر دی۔
ایک ہی وقت میں، یہ پایا گیا کہ گریفائٹ اصل میں ایک مناسب الیکٹرولائٹ مرکب کے ساتھ استعمال کیا جا سکتا ہے. [فونگ آر، ساکن یو وون، ڈاہن جے آر، غیر الیکٹرو کیمیکل سیلز کا استعمال کرتے ہوئے کاربن میں لیتھیم انٹرکلیشن کا مطالعہ۔ J. الیکٹرو کیم۔ Soc 1990، 137 (7)، 2009–2013]
ایتھیلین کاربونیٹ پر مشتمل سالوینٹس کا استعمال کرتے ہوئے، اب تک عام طور پر اس کے زیادہ پگھلنے کے نقطہ کی وجہ سے نظر انداز کیا جاتا ہے، چارج/ڈسچارج سائیکل کے دوران گریفائٹ الیکٹروڈ کی سطح پر ایک ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) بنتا ہے، اس طرح کاربن مواد کو اخراج اور مزید سڑنے سے بچاتا ہے۔ . [پیلڈ، ای. غیر الکلی اور الکلائن ارتھ میٹلز کا الیکٹرو کیمیکل رویہ نانکیئس بیٹری سسٹمز، سالڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس ماڈل۔ J. الیکٹرو کیم۔ Soc 1979، 126 (12)، 2047–2051۔
اس دریافت کو بیٹری کمیونٹی نے تیزی سے اپنایا، اور اگلی نسل کی لیتھیم آئن بیٹری گریفائٹ پر مبنی تھی جیسا کہ انوڈ مواد تیار کیا گیا تھا۔ اس اینوڈ مواد کے ساتھ، 4.2 V کے چارجنگ وولٹیج کے ساتھ بیٹریاں جلد ہی تیار کی گئیں، جس کے نتیجے میں توانائی کی کثافت ~ 400 Wh/liter ہے۔
لیتھیم آئن بیٹری کی ترقی ان اہم دریافتوں کے ساتھ نہیں رکی، لیکن اس کے بعد بہت سی بہتری اور متبادل کی اطلاع دی گئی ہے۔ مثال کے طور پر، مخصوص بیٹری ایپلی کیشنز میں استعمال کے لیے نئے کیتھوڈ مواد کی مسلسل شناخت کی گئی ہے، اور ایسے دو مواد کی ابتدا Goodenough’s گروپ سے ہوئی ہے: اسپائنل میٹریل Li1-xMn2O4 اور olivine میٹریل LixFePO4 (LFP)۔
[پادھی، اے کے؛ ننجنڈاسوامی، کے ایس؛ Goodenough، JB Phospho-Olivines Rechargeable Lithium بیٹریوں کے لیے مثبت الیکٹروڈ مواد کے طور پر۔ J. الیکٹرو کیم۔ Soc 1997، 144، 1188–1194۔
ٹھاکرے، ایم ایم؛ ڈیوڈ، WIF؛ بروس، پی جی؛ Goodenough، مینگنیج اسپنلز میں JB لتیم کا اندراج۔ میٹر Res. بیل. 1983، 18، 461–472]۔
مؤخر الذکر مواد LixCoO2 کے مقابلے Li+/L کے مقابلے میں کسی حد تک کم صلاحیت سے محدود ہے، لیکن اس میں استحکام زیادہ ہے اور اسے اعلیٰ چارجنگ ریٹ پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ کئی دیگر الیکٹروڈ مواد اور الیکٹرولائٹ سسٹمز بھی دریافت کیے گئے ہیں، جو معاشرے کے فائدے کے لیے ہمیشہ بہتر توانائی کے ذخیرہ کرنے والے مواد کا باعث بنتے ہیں۔
الیکٹرک گاڑیوں میں کس قسم کی بیٹری استعمال ہوتی ہے؟
آج کل، زیادہ تر EVs Li-ion بیٹریاں استعمال کرتی ہیں۔ اس سے پہلے، Ni-MH اور لیڈ ایسڈ بیٹریاں استعمال کی جاتی تھیں، لیکن لی-آئن بیٹریوں کی آمد کی وجہ سے ان کا استعمال آہستہ آہستہ کم ہوتا گیا، جو اعلیٰ مخصوص توانائی اور اعلی توانائی کی کثافت کی قدروں کی حامل ہیں۔ لیڈ ایسڈ بیٹریوں کی مخصوص توانائی تقریباً 40-50 Wh/kg ہے جبکہ Li-ion بیٹری میں تقریباً 150 Wh/kg ہے۔ لیڈ ایسڈ بیٹریوں کے لیے توانائی کی کثافت کی قیمت 80-100 Wh/liter ہے جبکہ Li-ion بیٹری میں 250 Wh/liter سے زیادہ ہے۔
نکل-کوبالٹ-ایلومینیم (NCA) کیتھوڈس اور سلکان/گریفائٹ کمپوزٹ اینوڈس کے ساتھ بیلناکار خلیے، جیسے کہ جدید ترین ٹیسلا بیٹری پیک (2019-2020) میں استعمال ہوتے ہیں، تقریباً 270 Wh/kg اور 650 Wh/liter تک پہنچ چکے ہیں۔ سائین پاور کی طرف سے لائسرین نامی ایک نئی ٹیکنالوجی 500 Wh/kg مخصوص توانائی اور 1000 Wh/L توانائی کی کثافت کا دعویٰ کرتی ہے۔> 0.4 اے ایچ ڈیولپمنٹ سیلز میں 450 سائیکل۔
چھوٹی بیٹریوں کے لیے، ہم Wh کے لحاظ سے بات کرتے ہیں۔ اعلی صلاحیت کے نظام کے لئے، kWh یونٹ استعمال کیا جاتا ہے. Wh قدر کو 103 سے تقسیم کرنے سے kWh ملے گا۔
اس طرح 850 Wh = 850/1000 = 0.850 kWh۔
آج کی EV بیٹری میں استعمال ہونے والے سیل برائے نام مخصوص توانائی 140 -170 Wh/kg تک پہنچ سکتے ہیں۔ نتیجے میں آنے والے بیٹری پیک کی مخصوص توانائی عام طور پر 30 سے 40 فیصد کم، یا 80 -120 Wh/kg ہوتی ہے۔ یہ کمی کئی سیریز اور متوازی کنیکٹنگ لیڈز، BMS اور تھرمل مینجمنٹ سسٹم (کولنگ یا ہیٹنگ) کی وجہ سے ہے۔ 2019 میں، غیر سیل اجزاء کا پیک فیصد تقریباً 28 فیصد تک کم ہو گیا ہے۔
اب تک، خلیات کو پہلے ماڈیول میں ڈالا جاتا تھا اور پھر پیک میں ڈالا جاتا تھا۔ دونوں معاصر امپریکس ٹیکنالوجی کمپنی لمیٹڈ، چین ( CATL) اور Tesla نے فیصلہ کیا ہے کہ وہ ماڈیولز سے چھٹکارا حاصل کرنا چاہتے ہیں اور سیلز کو براہ راست پیک میں رکھنا چاہتے ہیں۔ CATL پہلے ہی ایسا کر چکا ہے اور اسے سیل ٹو پیک ٹیکنالوجی کہتے ہیں۔ اگرچہ اس کے بارے میں معلومات بہت کم ہیں، کمپنی کا دعویٰ ہے کہ اس سے مخصوص توانائی میں 10-15% اضافہ ہو سکتا ہے اور حجم کے استعمال میں 15-20% اضافہ ہو سکتا ہے۔ مجموعی طور پر، یہ مبینہ طور پر بیٹری پیک کے لیے درکار پرزوں کو 40% تک کم کر سکتا ہے۔ [https://cleantechnica.com/2020/02/18/how-catl-lithium-iron-phosphate-batteries-could-be-leading-to-100-kwh-tesla-model-3/]
لتیم بیٹری کا عہدہ
بین الاقوامی الیکٹرو ٹیکنیکل کمیشن (آئی ای سی) اور انڈین اسٹینڈرڈز انسٹی ٹیوشن نے لیتھیم آئن خلیوں کی کیمسٹری اور سائز کو بیان کرنے کے لیے ایک مشترکہ عہدہ قائم کیا ہے۔
پورٹیبل ایپلی کیشنز کے لیے سیکنڈری لیتھیم سیل اور بیٹریاں، انٹرنیشنل الیکٹرو ٹیکنیکل کمیشن، IEC 61960-1 اور IEC 61960-2 اور IS 16047: 2012 ]۔
حروف کیمسٹری اور فارم فیکٹر کو متعین کرتے ہیں جبکہ نمبر سیل کے جسمانی طول و عرض کی وضاحت کرتے ہیں۔ پہلا خط عمومی کیمسٹری کو بیان کرتا ہے، دوسرا خط مخصوص کیتھوڈ کیمسٹری کو بیان کرتا ہے اور تیسرا خط شکل کو بیان کرتا ہے۔
پہلا خط: I – لتیم آئن کیمسٹری
دوسرا خط: سی-کوبالٹ، ایف-آئرن، ایف پی-آئرن فاسفیٹ، این-نکل، ایم-مینگنیج، ایم-مینگنیج فاسفیٹ، ٹی-ٹائٹینیم، وی-وانیڈیم اور x- دیگر۔
تیسرا حرف: R- بیلناکار، P-prismatic
پہلے دو نمبر جو پیروی کرتے ہیں وہ قطر کو ملی میٹر میں اور آخری تین ملی میٹر کے دسویں حصے میں اونچائی کو متعین کرتے ہیں۔ اس طرح ایک سیل نامزد کردہ ICR19/66 ایک لیتھیم آئن سیل ہے جس میں کوبالٹ کیتھوڈ ہے جس کا قطر ہے> 18 ملی میٹر اور ≤ 19 ملی میٹر اور زیادہ سے زیادہ مجموعی اونچائی جو ہے۔> 65 ملی میٹر اور ≤ 66 ملی میٹر۔
prismatic خلیات کے لیے ابتدائی حروف کا ایک ہی مطلب ہے لیکن پہلے دو نمبر چوڑائی کو mm میں بتاتے ہیں، اگلے دو نمبرز mm میں اونچائی اور آخری دو نمبر mm میں لمبائی ہیں۔ اس طرح، سیل کا عہدہ IMP9/35/150 مینگنیج کیتھوڈ سیل کے ساتھ ایک پرزمیٹک لیتھیم آئن سیل کو بیان کرتا ہے جس کی زیادہ سے زیادہ موٹائی ہوتی ہے۔ > 8 ملی میٹر اور ≤ 9 ملی میٹر اور زیادہ سے زیادہ چوڑائی جو ہے۔ > 34 ملی میٹر اور ≤ 35 ملی میٹر اور زیادہ سے زیادہ مجموعی اونچائی جو ہے۔ > 149 ملی میٹر اور ≤ 150 ملی میٹر۔
لتیم آئن بیٹری کیسے کام کرتی ہے؟
لتیم آئن بیٹری کیسے بنتی ہے۔
ایٹم نمبر 3 کے ساتھ لیتھیم دھات، 0.534 g/cc کی کثافت، بہت کم معیاری کمی کی صلاحیت (Li + /Li جوڑے -3.05 V بمقابلہ SHE) اور نظریاتی مخصوص صلاحیت 3860 Ah/kg (2061 mAh/cc) ہے سب سے ہلکا وزن، سب سے زیادہ وولٹیج، اور تمام دھاتوں کی سب سے بڑی توانائی کی کثافت۔ (ایٹم نمبر 82 کے لیڈ، کثافت 11.29 g/cc، 257.8 Ah/kg کی نظریاتی مخصوص صلاحیت اور -0.35V بمقابلہ SHE کی معیاری کمی کی صلاحیت سے موازنہ کریں)۔
لتیم آئن بیٹری - فعال مواد
مثبت الیکٹروڈ کے فعال مواد مخلوط آکسائڈز میں سے کوئی ایک ہیں جیسے LiCoO2 یا LiMnO2 یا LiFePO4۔ منفی الیکٹروڈ بنیادی طور پر گریفائٹ اور بے ساختہ کاربن مرکبات ہیں۔ ایک نامیاتی الیکٹرولائٹ (جس میں ایک الگ لتیم کنڈکٹنگ نمک ہوتا ہے جیسے LIPF6) استعمال کیا جاتا ہے۔ پولی پروپیلین (PP) یا پولی تھین (PE) یا مخلوط جداکار استعمال کیا جاتا ہے۔ لتیم آئن لتیم آئن بیٹریوں کے الیکٹروڈز کے درمیان چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران آگے پیچھے منتقل ہوتے ہیں اور ذیل میں بیان کیے گئے ایکٹو مواد میں ایک دوسرے سے جڑ جاتے ہیں:
تصویر 9۔ لتیم آئن سیل کا پھٹنے والا منظر
کریڈٹ: Zhang Z., Ramadas P. (2012) Lithium-Ion بیٹری سسٹمز اور ٹیکنالوجی۔ میں: میئرز RA (eds) Encyclopaedia of Sustainability Science and Technology. اسپرنگر، نیویارک، نیو یارک، پی پی 6124۔ http s://doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663
لتیم آئن بیٹری کیسے چارج ہوتی ہے۔
لتیم آئن سیل (LIB) میں خارج ہونے والے عمل کے دوران انوڈ سے لتیم آئنوں کو الیکٹرولائٹ میں ڈی-انٹرکیلیٹڈ (یا نکالا) جاتا ہے اور الیکٹرولائٹ سے یہ لتیم آئن کیتھوڈ مواد میں ایک دوسرے سے جڑ جاتے ہیں۔ انوڈ سے کیتھوڈ تک آئنوں کی یہ حرکت الیکٹرانوں کے اخراج کے ساتھ ہے جو بیرونی سرکٹ میں بہتی ہے۔ الٹا عمل چارجنگ کے عمل کے دوران ہوتا ہے جہاں لتیم آئن کیتھوڈ سے منتقل ہوتے ہیں اور الیکٹرولائٹ کے ذریعے انوڈ میں انٹرکیلیٹ ہوتے ہیں ۔ کمرشل LIBs عام طور پر ٹرانزیشن میٹل آکسائیڈز جیسے LiCoO 2 ، LiMn 2 O 4 ، اور LiFePO 4 کو کیتھوڈ میٹریل کے طور پر استعمال کرتے ہیں، جو کہ ایلومینیم کرنٹ کلیکٹر پر لیپت ہوتا ہے۔
الیکٹرونک چالکتا کو بڑھانے اور الیکٹروڈ مواد کی بہتر چپکنے کو حاصل کرنے کے لیے بالترتیب دس سے بیس فیصد %–10% کاربن اور 5-10 پولیمیرک بائنڈر جیسے پولی وینیلائیڈین ڈیفلوورائیڈ (PVDF) اور پولیٹیٹرافلوروتھیلین (PTFE) کو بھی فعال مواد کے ساتھ شامل کیا جاتا ہے۔ اینوڈ مواد کو تانبے کے کرنٹ کلیکٹر کے اوپر لیپت کیا جاتا ہے جس میں ضرورت پڑنے پر کاربن اور پی وی ڈی ایف کا انعقاد ہوتا ہے۔
دونوں الیکٹروڈز کو ایک غیر محفوظ جداکار (پولی تھیلین یا 10–20 µm موٹائی کی پولی پروپیلین فلم) کے ذریعے الگ کیا جاتا ہے جو ایک الیکٹرولائٹ محلول (LiPF6 ایک نامیاتی سالوینٹ میں) میں بھگویا جاتا ہے۔ الگ کرنے والے اور الیکٹرولائٹ حل دونوں میں بہتر آئنک چالکتا ہونا چاہئے۔ سیل کو عام طور پر دو الیکٹروڈ کے درمیان الیکٹرولائٹ ڈپڈ سیپریٹر کے ساتھ جیلی رول فیشن میں دھاتی سانچے میں گھڑا جاتا ہے۔ اعداد و شمار میں LIB کا ایک منصوبہ دکھایا گیا ہے، جہاں عام چارج اور خارج ہونے والے عمل کو دکھایا گیا ہے۔
لیتھیم آئن (Li-ion) ریچارج ایبل بیٹریاں میزبان میٹرکس (مثبت اور منفی الیکٹروڈ ایکٹو مواد) میں یا اس سے لتیم آئنوں (Li + ) (مہمانوں کی نسل) کو الٹنے کے قابل اندراج/نکالتی ہیں جسے لیتھیم داخل کرنے والے مرکبات کہتے ہیں جب ڈسچارج اور چارج ہوتا ہے۔ عمل پائے جاتے ہیں. لیتھیم آئن بیٹریوں کو راکنگ چیئر بیٹریاں کہا جاتا ہے کیونکہ لیتھیم آئن مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان "راک” ہوتے ہیں جب سیل چارج اور خارج ہوتا ہے۔
مثبت فعال مواد عام طور پر دھاتی آکسائیڈ ہوتا ہے جس کی تہوں والی ساخت ہوتی ہے، جیسے کہ لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ (LiCoO 2 )، یا ایسا مواد جس میں سرنگ کی ساخت ہوتی ہے، جیسے لتیم مینگنیز آکسائیڈ (LiMn 2 O 4 ) ، زیادہ تر ایلومینیم کرنٹ کلیکٹر پر ہوتا ہے۔ . منفی فعال مواد عام طور پر ایک گرافیٹک کاربن ہوتا ہے، ایک تہہ دار مواد بھی، زیادہ تر تانبے کے کرنٹ کلیکٹر پر ہوتا ہے۔ چارج ڈسچارج کے عمل میں، لتیم آئنوں کو فعال مواد کی جوہری تہوں کے درمیان بیچوالا خلا سے داخل یا نکالا جاتا ہے۔
غیر آبی الیکٹرولائٹس یا نامیاتی الیکٹرولائٹس لیتھیم خلیوں میں استعمال ہوتے ہیں۔
لیتھیم آئن بیٹریوں کے لیے الگ کرنے والے پولی اولفن مائیکرو پورس فلمیں پولی تھیلین (PE) اور پولی پروپیلین (PP) ہیں۔
لتیم آئن بیٹری میں الیکٹرو کیمیکل سیل کے رد عمل
ایک عام لتیم آئن سیل میں، درج ذیل عام رد عمل پائے جاتے ہیں۔
مثبت الیکٹروڈ ردعمل:
LiMO 2 ⇔ Li 1-x MO 2 + x Li + + xe –
منفی الیکٹروڈ ردعمل:
C + y Li + + ye – ⇔ Li y C
کل سیل ردعمل:
LiMO 2 + x/y C ⇔ x/y Li y C + Li 1-x MO 2
M = دھاتیں جیسے Co، Mn، Ni، Ti، وغیرہ۔
عام طور پر x تقریباً 0.5 ہے اور y تقریباً 0.16 ہے، اس لیے x/y تقریباً 3 ہے۔. [جیف ڈہن اور گرانٹ ایم ایرلچ۔ "لیتھیم آئن بیٹریاں”، لنڈن کی ہینڈ بک آف بیٹریز، 4 واں ایڈیشن، تھامس بی ریڈی (ایڈ.)، میک گرا
الیکٹرولائٹ اور سالڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI)
جیسا کہ پہلے ذکر کیا گیا ہے، غیر آبی الیکٹرولائٹس یا نامیاتی الیکٹرولائٹس لیتھیم خلیوں میں استعمال ہوتے ہیں۔ لی سیلز نسبتاً زیادہ وولٹیج پر کام کرتے ہیں، فی سیل 4.2 V تک۔ اگرچہ بڑے لتیم نمکیات جیسے لتیم ہیکسافلوورو فاسفیٹ (LiPF6)، لتیم ہیکسافلوورو آرسینیٹ (LiAsF6)، لتیم ٹیٹرافلووروبوریٹ (LiBF4)، لتیم پرکلوریٹ (LiClO4)، لتیم ٹرائی فلورومیتھین سلفونیٹ (LiPF6)، Lithium trifluoromethanesulphonate (LiPF6)، وغیرہ۔ , اصل الیکٹرولائٹس ہیں (الیکٹرولائٹ نمکیات کو برقرار رکھنے)، انہیں مناسب سالوینٹس کی ضرورت ہوتی ہے جو اتنے زیادہ وولٹیج پر مستحکم ہوتے ہیں۔ اس طرح کے زیادہ تر سالوینٹس میں زیادہ ڈائی الیکٹرک مستقل ہوتے ہیں، جو آسان آئنک انحطاط اور انتہائی مرتکز لی آئنوں کی موجودگی کو آسان بناتے ہیں۔ اس طرح کے سالوینٹس لی آئنوں کے مستحکم وجود کے لیے سالویشن شیتھ کے طور پر بھی کام کرتے ہیں، اس طرح کاؤنٹر آئنوں کے اثر کو کم کرتے ہیں۔
زیادہ ڈائی الیکٹرک کنسٹنٹ رکھنے کا نقصان یہ ہے کہ ان میں واسکاسیٹی کی قدریں زیادہ ہوتی ہیں جس کے نتیجے میں آئنوں کی نقل و حرکت خراب ہوتی ہے۔ کم آئنک چالکتا پر قابو پانے کے لیے، کم چپکنے والے سالوینٹس کو عام طور پر اعلی چپچپا سالوینٹس کے ساتھ ملایا جاتا ہے۔ لیکن، چونکہ کم چپکنے والے سالوینٹس میں کم آئنک انحطاط ہوتا ہے، یہ ضروری ہو جاتا ہے کہ مکسنگ کے زیادہ سے زیادہ تناسب پر حملہ کیا جائے تاکہ مرکب میں اچھی آئنک چالکتا اور اچھی نقل و حرکت دونوں ہو۔ غیر آبی سالوینٹس کے طور پر، کم چپچپا لکیری الکائل کاربونیٹ کے ساتھ ایتھیلین کاربونیٹ (EC) کے مرکب جیسے ڈائمتھائل کاربونیٹ (DMC)، ڈائیٹائل کاربونیٹ (DEC)، اور ethyl میتھائل کاربونیٹ (EMC) تجارتی طور پر دستیاب LIBs میں استعمال ہوتے ہیں۔
اپروٹک سالوینٹس ایتھر، ایسٹرز اور الکائل کاربونیٹ ہیں: وہ ڈائیتھائل ایتھر (ڈی ای ای)، ٹیٹراہائیڈروفورن (ٹی ایچ ایف)، ڈائی آکسولاین، ایتھیلین کاربونیٹ (ای سی)، پروپیلین کاربونیٹ (پی سی)، ڈائمتھائل کاربونیٹ (ڈی ایم سی)، ڈائیتھائل کاربونیٹ (ڈی ای سی)، ہیں۔ ایتھائل میتھائل کاربونیٹ (EMC)، میتھائل فارمیٹ، γ-butyrolactone (BL)، میتھائل ایسیٹیٹ، acetonitrile (AN)، dimethyl سلفوکسائیڈ (DMSO)، dimethylformamide (DMF)، میتھائل کلورائیڈ، نائٹرو میتھین وغیرہ۔
مائع الیکٹرولائٹس ایک یا زیادہ نامیاتی سالوینٹس میں لتیم نمک کے محلول ہیں، عام طور پر کاربونیٹ
پروپیلین کاربونیٹ (PC) کو الیکٹرولائٹ کے طور پر استعمال نہیں کیا جا سکتا اگر گریفائٹ کو انوڈ کے طور پر استعمال کیا جائے، کیونکہ سابقہ گریفائٹ کی سطح پر گل جاتا ہے۔ پی سی اکیلے استعمال کیا جاتا ہے، بغیر EC یا LiBOB) Li bisoxalato borate کے چھوٹے اضافے)، گریفائٹ الیکٹروڈز میں انحطاط کا سبب بن سکتا ہے کیونکہ یہ لیتھیم کے ساتھ باہمی تعامل کرتا ہے، جس کے نتیجے میں اخراج ہوتا ہے۔
الیکٹرولائٹ غیر متغیر ہے (آئنوں کی اتنی ہی تعداد داخل ہوتی ہے جس طرح چارج کے دوران الیکٹرولائٹ چھوڑتی ہے اور
خارج ہونے والے مادہ). الیکٹرولائٹ نمک عام طور پر نامیاتی کاربونیٹ سالوینٹس میں تحلیل ہوتا ہے۔ ہر مینوفیکچرر کے پاس ایتھیلین کاربونیٹ (EC) کے ساتھ سالوینٹس کا ایک مختلف مجموعہ ہوتا ہے جو زیادہ تر لوگوں کے لیے عام ہوتا ہے۔
سالڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) پرت کی تشکیل ایک اور اہم کام ہے جو الیکٹرولائٹس کے ذریعہ انجام دیا جاتا ہے۔ جب ایک الکلی دھات کو بیٹری الیکٹرولائٹ میں ڈبویا جاتا ہے، یا جب کاربن پر منفی صلاحیت کا اطلاق ہوتا ہے یا الیکٹرولائٹ میں ڈوبے ہوئے ایک غیر فعال الیکٹروڈ پر، ایک SEI بننا شروع ہوتا ہے۔
محلول کے ساتھ دھات کے رابطے پر فوری طور پر تشکیل پانے والی SEI تہہ الیکٹرولائٹ اجزاء کی ناقابل حل اور جزوی طور پر حل نہ ہونے والی مصنوعات پر مشتمل ہوتی ہے۔ SEI وہ کلیدی عنصر ہے جو بیٹری کی حفاظت، طاقت کی صلاحیت، لتیم کے ذخائر کی شکل، شیلف لائف، اور سائیکل کی زندگی کا تعین کرتا ہے۔ انوڈ کے ساتھ اچھی آسنجن بھی ضروری ہے۔
جیسا کہ اوپر زور دیا گیا ہے، عملی بنیادی یا ثانوی الکلائن یا الکلائن ارتھ بیٹریاں صرف اسی صورت میں بنائی جا سکتی ہیں جب انوڈ کی تحلیل یا سنکنرن کو روکا جا سکے۔ لہذا، الیکٹرولائٹ کو کم از کم ایک SEI پیشگی پر مشتمل کرنے کے لئے ڈیزائن کیا جانا چاہئے جو لتیم (یا الکلی میٹل اینوڈ کے ساتھ) کے ساتھ تیزی سے رد عمل کرتا ہے تاکہ ایک ناقابل حل ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس تشکیل دے سکے۔ نمک کی anions کی کمی کی مصنوعات عام طور پر LiF، LiCl اور Li 2 O جیسے غیر نامیاتی مرکبات ہیں، جو الیکٹروڈ کی سطح پر تیز ہوتی ہیں۔ سالوینٹ کی کمی کے بعد دونوں ناقابل حل SEI اجزاء جیسے Li 2 CO 3 اور جزوی طور پر حل ہونے والے نیم کاربونیٹ اور پولیمر کی تشکیل ہوتی ہے۔
کاربن الیکٹروڈ کی صورت میں، جس وولٹیج پر SEI بنتا ہے اس کا انحصار کاربن کی قسم، اس کی سطح کی اتپریرک خصوصیات (راکھ کا مواد، کرسٹاللوگرافک جہاز کی قسم، بیسل ٹو ایج پلین ریشو)، درجہ حرارت، ارتکاز اور سالوینٹس کی اقسام، نمکیات اور نجاست اور موجودہ کثافت پر۔ لیتھیم آئن بیٹری کے پہلے چارج پر، صلاحیت کا نقصان ہوتا ہے جسے "ناقابل واپسی صلاحیت کا نقصان” (Q IR ) کہا جاتا ہے جو بنیادی طور پر SEI کی تشکیل کے لیے درکار ہے۔
SEI کی تشکیل کے علاوہ، Q IR گھلنشیل کمی کی مصنوعات (Q SP ) کی تشکیل سے وابستہ صلاحیت میں کمی کی وجہ سے ہو سکتا ہے۔
آلودگی سے پاک SEI بیٹری کی طویل سائیکل زندگی کے لیے ضروری ہے۔ یہ ہائی ریٹ پر اور ڈسچارج کی زیادہ گہرائی پر سائیکلنگ کے دوران اور بھی زیادہ اہم ہو جاتا ہے۔
لیتھیم ہیکسافلووروفاسفیٹ (LiPF6) اور لیتھیم ہیکسافلووروآرسینیٹ (LiAsF6) محلول میں SEI دیگر نمکیات کے محلول کے مقابلے میں زیادہ مزاحمتی صلاحیت رکھتے ہیں۔ یہ مزاحمتی تبدیلیوں کی وجہ سے ہے جو پرجاتیوں کے زیر کنٹرول مزاحمت میں حصہ ڈالتے ہیں جو LiPF6 اور LiAsF6 الیکٹرولائٹس میں لیتھیم انوڈ کے اعلی انٹرفیشل رکاوٹ کا باعث بنتے ہیں۔ اس کے علاوہ، Li2CO3 کو لیتھیم سائیکلنگ کی کارکردگی کو بڑھانے کے لیے ایک بہترین غیر فعال کرنے والے ایجنٹوں میں سے ایک کہا جاتا ہے [J Electrochem Soc.,164 (7) A1703-A1719 (2017)]۔
لتیم آئن بیٹریوں کے لیے الگ کرنے والے
لیتھیم آئن بیٹریوں کے لیے الگ کرنے والے پولی اولفن مائیکرو پورس فلمیں ہیں اور عام طور پر یک طرفہ طور پر کھینچی ہوئی پولی تھیلین (PE) اور پولی پروپیلین (PP)، دو طرفہ طور پر تیار کردہ PE یا کثیر محوری طور پر تیار کردہ PP/PE/PP ہوتی ہیں۔
لتیم آئن بیٹری میں فعال مواد کے لیے خام مال
لیتھیم آئن بیٹریاں مختلف کیتھوڈ مواد استعمال کرتی ہیں۔ انوڈ ہمیشہ کاربن پر مبنی ہوتا ہے، سوائے چند کے جیسے ٹائٹینیم-نیوبیم آکسائیڈ انوڈ، لی-سی الائے وغیرہ۔ درج ذیل جدول اور اعداد و شمار ان بیٹریوں میں استعمال ہونے والی مختلف کیمسٹریوں کے بارے میں کچھ خیالات پیش کرتے ہیں۔
تصویر 12۔ لتیم آئن بیٹریوں کے لیے کچھ موجودہ اور مستقبل کے الیکٹروڈ کیمسٹری کے اختیارات کا خلاصہ۔ Li(Si) کی مجوزہ صلاحیت مواد کی نظریاتی صلاحیت کا 50% ہے، جیسا کہ کچھ مثبت الیکٹروڈ مواد کے لیے پایا جاتا ہے۔
[کریڈٹ: یو میاؤ، پیٹرک ہینان، اینیٹ وون جوآن، اور الیگزینڈر یوکوچی، توانائیاں 2019، 12، 1074؛ doi:10.3390/en12061074]
جدول 1۔
مختلف کیتھوڈ مواد کے ساتھ لتیم آئن خلیات کی خصوصیات
| کیتھوڈ مواد | لی-نی-کو-ال (NCA) | Li-Ni-Mn-Co (NMC) | Li-MnO2 (LMO) | لی آئرن فاسفیٹ (LFP) | Li Titanate (LTO) | لی کوبالٹ آکسائیڈ (LCO) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| سیل کا برائے نام وولٹیج (V) | 3.6 | 3.65 (2.7-4.2) | 3.8 | 3.25 (2-3.6) | 3.2 | 3.6 |
| نظریاتی مخصوص توانائی (Wh/kg) | 279 | 256 | 148 | 128 (373) | 293 (175) | 274 (370) (x=0.5) |
| کیتھوڈس کے لیے مخصوص صلاحیت (Ah/Kg) ممکنہ بمقابلہ Li/Li+ (V) | 180-200 (3.8) | 200 | 148 (4.1) | 150-170 (3.45) | 175 | 274 (3.9) (x=0.5) |
| کیتھوڈس کے لیے مخصوص توانائی (Wh/Kg) | 680-760 | 610-680 | 410-492 548 | 518-587 544 | -- | 546 |
| حفاظت | محفوظ | اعتدال پسند | محفوظ | اعلی | بہت اچھا | اعتدال پسند |
لتیم آئن بیٹری میں کیتھوڈ مواد
کیتھوڈ مواد کو متعدد تقاضوں کو پورا کرنا ہوگا جن پر مثبت الیکٹروڈ مواد کا انتخاب منحصر ہے۔
- اعلی صلاحیت فراہم کرنے کے لیے، ان مواد میں لتیم کی ایک بڑی مقدار کو شامل کرنا ضروری ہے۔
- مزید، طویل سائیکل زندگی، اعلی ایمپیئر گھنٹے کی کارکردگی، اور اعلی توانائی کی کارکردگی کی اجازت دینے کے لیے مواد کو تھوڑی ساختی تبدیلی کے ساتھ الٹ پلٹ کرنا چاہیے۔
- اعلی سیل وولٹیج اور اعلی توانائی کی کثافت کو حاصل کرنے کے لیے، لتیم کے تبادلے کا رد عمل لتیم کے مقابلے میں اعلیٰ صلاحیت پر ہونا چاہیے۔
- ہائی ریٹ چارج اور ڈسچارج کے عمل کو آسان بنانے کے لیے، مواد میں الیکٹرانک چالکتا اور لتیم آئن کی نقل و حرکت زیادہ ہونی چاہیے۔
- مثبت الیکٹروڈ مواد الیکٹرولائٹ میں تحلیل نہیں ہونا چاہئے اور سستی قیمت پر دستیاب ہونا چاہئے۔ لاگت کو کم کرنے کے لیے، کم لاگت کے عمل میں سستے مواد سے تیاری کو ترجیح دی جاتی ہے۔
LiFePO 4 اس اصول سے مستثنیٰ ہے۔ LiFePO 4 میں، نینو میٹر پارٹیکل سائز والے الیکٹروڈ پارٹیکلز کے استعمال سے مناسب لتیم آئن ٹرانسپورٹ حاصل کی جاتی ہے۔ [جیف ڈہن اور گرانٹ ایم ایرلچ۔ "لیتھیم آئن بیٹریاں”، لنڈن کی ہینڈ بک آف بیٹریز، 4 واں ایڈیشن، تھامس بی ریڈی (ایڈ.)، میک گرا ہل، پی پی 26.6، 2011]
لیتھیم آئن خلیوں میں مثبت فعال مواد (PAM) کارخانہ دار کے لحاظ سے مختلف ہوتے ہیں۔ کیتھوڈ مواد کو تین وسیع زمروں میں درجہ بندی کیا جا سکتا ہے [ ارومگم مانتھیرم، نیچر کمیونیکیشنز (2020) 11:1550]۔ وہ ہیں:
پرتوں والے آکسائڈز - لتیم آئن بیٹری میں کیتھوڈ مواد
عام قسم کے LiMO 2 کے کئی آکسائیڈ (جہاں M = وینڈیم، کرومیم، کوبالٹ اور نکل) ایک تہہ دار ڈھانچے میں کرسٹلائز ہوتے ہیں جس میں Li + اور M 3+ آئن پرت کی ترتیب دینے کے لیے چٹانی نمک کے ڈھانچے کی متبادل لین پر قبضہ کرتے ہیں۔ O-Li-OMO کا۔
تہہ دار آکسائیڈ کیتھوڈ LiCoO 2 میں، Li + اور trivalent Co 3+ آئنوں کے درمیان بڑے چارج اور سائز کا فرق اچھی کیشن آرڈرنگ کا باعث بنتا ہے، جو کہ لیتھیم جہاز میں تیز رفتار دو جہتی لتیم آئن پھیلاؤ اور چالکتا کو سہارا دینے کے لیے اہم ہے۔
کیتھوڈ مواد کو انتہائی اعلی پاکیزگی کی سطح کی ضرورت ہوتی ہے اور یہ تقریباً مکمل طور پر غیر مطلوبہ دھاتی نجاست سے پاک ہونا چاہیے – خاص طور پر آئرن، وینڈیم اور سلفر۔
تصویر 13۔ ایک پرتوں والے ڈھانچے کی سادہ اسکیمیٹک جس میں کا متبادل قبضہ ہوتا ہے۔
قریبی پیکڈ آکسائڈ آئن تہوں کے درمیان کیشن کی تہیں
[کریڈٹ: رابرٹ اے ہگنس، ایڈوانسڈ بیٹریز، میٹریل سائنس اسپیکٹس، اسپرنگر، نیویارک، 2009، صفحہ 168]
اعلی الیکٹریکل اور لیتھیم آئن چالکتا کے ساتھ اچھی ساختی استحکام اچھی ریورسیبلٹی کے ساتھ تیز رفتار چارج ڈسچارج خصوصیات پیش کرتا ہے۔ ان خصوصیات کے ساتھ، LiCoO2 ~4 V کے اعلی آپریٹنگ وولٹیج کے ساتھ اب تک کے بہترین کیتھوڈز میں سے ایک ہے۔ LiCoO2 کیتھوڈ حل ہو گیا۔
1970 کی دہائی میں سلفائیڈ کیتھوڈس سے منسلک دو بڑے چیلنجز۔ اس سے آپریٹنگ وولٹیج میں نہ صرف کافی اضافہ ہوا ہے۔< 2.5 V سے ~ 4 V بلکہ کسی دھاتی لیتھیم اینوڈ کو استعمال کرنے کی ضرورت کے بغیر سیل کی اسمبلی بھی۔
اسپنل آکسائڈز - لتیم آئن بیٹری میں کیتھوڈ مواد
کیتھوڈ کی دوسری کلاس سپنل LiMn 2 O 4 ہے۔ (عام فارمولا AB 2 O 4 ہے)۔ اگرچہ اس ڈھانچے کو عام طور پر کیوبک کوآرڈینیٹ میں دکھایا جاتا ہے، لیکن اس میں (111) طیاروں پر آکسائیڈ آئنوں کی متوازی پرتیں بھی ہوتی ہیں، اور آکسائیڈ آئن طیاروں کے درمیان اوکٹہیڈرالی کوآرڈینیٹڈ سائٹس اور ٹیٹراہیڈری طور پر مربوط سائٹس دونوں موجود ہیں۔ آکٹہیڈرل سائٹس کی تعداد آکسائیڈ آئنوں کی تعداد کے برابر ہے، لیکن ٹیٹراہیڈرل سائٹس کی تعداد دوگنی ہے۔ سہ جہتی ساختی استحکام اور اعلیٰ برقی اور لیتھیم آئن چالکتا LiCoO 2 کے مقابلے Li 1 – x Mn 2 O 4 کے لیے اچھی ریورسیبلٹی کے ساتھ اور بھی تیز چارج ڈسچارج خصوصیات پیش کرتے ہیں۔
LiCoO 2 سے LiMn 2 O 4 تک جانے کا ایک اہم فائدہ لاگت میں نمایاں کمی ہے کیونکہ مینگنیج کمپنی کے مقابلے میں لاگت میں دو آرڈرز کم ہے۔ تاہم، LiMn 2 O 4 کے ساتھ ایک اہم مسئلہ Mn 3 کے معروف عدم تناسب کی وجہ سے الیکٹرولائٹ میں H + ions (تیزابیت) کی ٹریس مقدار (ppm لیول) کی موجودگی میں جالی سے الیکٹرولائٹ میں مینگنیج کا تحلیل ہے۔ + سے Mn 4+ اور Mn 2+ تیزاب میں۔
تصویر 14۔ ریڑھ کی ہڈی کے ڈھانچے کا اسکیمیٹک جس میں کیشنز کو آکسائیڈ آئنوں کے قریبی (111) طیاروں کے درمیان ٹیٹراہیڈرل اور آکٹہیڈرل سائٹس کے درمیان تقسیم کیا جاتا ہے ۔ صفحہ 17]۔
ہائی وولٹیج Lithium-Nickel-Manganiese Oxide (LNMO) کیتھوڈ مواد اگلی نسل کی بیٹریوں میں امید افزا دکھائی دیتا ہے۔ لیکن رکاوٹ ایک الیکٹرولائٹ کی کمی ہے جو LNMO پر مبنی بیٹری کے دباؤ کو سنبھال سکتی ہے۔ LNMO کیتھوڈ پر مبنی بیٹری سیلز دیگر اعلی کارکردگی والی لیتھیم پر مبنی بیٹریوں کے برابر نتائج فراہم کرتے ہیں، لیکن کافی کم قیمت پر۔
تاہم، الیکٹرولائٹ مینوفیکچررز کو جاری تحقیق اور ترقی سے بہت امید افزا نتائج مل رہے ہیں جن کے نتیجے میں، کسی وقت، الیکٹرولائٹس ہوں گی جو LNMO بیٹری سیل میں اچھی طرح سے کام کریں گی۔ https://blog.topsoe.com/the-cathode-material-for-next-generation-lithium-ion-batteries-is-ready
ابھی حال ہی میں، این ایم سی کیتھوڈس میں نی کے مواد میں اضافہ اور کوبالٹ کے مواد کو کم کرنا یا ختم کرنا بہت زیادہ نمایاں ہوتا جا رہا ہے ، نیٹ۔ توانائی 5، 26 – 24 (2020)]۔
پولی اینون آکسائیڈز - لتیم آئن بیٹری میں کیتھوڈ مواد
آکسائیڈز کی تیسری کلاس پولینیون آکسائیڈز ہیں۔ پولیئن آکسائیڈ جیسے Fe 2 (MoO 4 ) 3 اور Fe 2 (WO 4 ) 3 کو Li 2 Fe 2 (MoO 4 ) 3 یا Li 2 Fe 2 ( Li 2 Fe 2 (MoO 4 ) 3 یا Li 2 Fe 2 ( WO 4 ) 3 کیمیائی اور الیکٹرو کیمیکل دونوں طریقوں سے
[Manthiram, A., Goodenough, JB Lithium Fe 2 (MO 4 ) 3 فریم ورک میں داخل کرنا: M = W کا M = Mo کے ساتھ موازنہ۔ J. سالڈ اسٹیٹ کیم۔ 71, 349– 360 (1987)]۔
منتھیرام اور گڈنوف کے کاموں پر مبنی،
[Manthiram, A. & Goodenough, JB Lithium insertion in Fe 2 (MO 4 ) 3 فریم ورک: M = W کا M = Mo سے موازنہ۔ J. سالڈ اسٹیٹ کیم۔ 71، 349–360 (1987)۔ Manthiram, A. & Goodenough, JB Lithium Fe 2 (SO 4 ) 3 فریم ورک میں داخل کرنا۔ جے پاور ذرائع 26، 403–406 (1989)۔]
لتیم پر مشتمل فاسفیٹس کی کیتھوڈز کے طور پر تلاش کے نتیجے میں olivine LiFePO 4 کی شناخت کیتھوڈ کے طور پر ہوئی [Padhi, AK, Nanjundaswamy, KS & Goodenough, JB Phospho-Olivines کو ریچارج ایبل لیتھیم بیٹریوں کے لیے مثبت الیکٹروڈ مواد کے طور پر۔ J. الیکٹرو کیم۔ Soc 144، 1188–1194 (1997] 1997 میں۔
لیکن، پولیئنین آکسائیڈ کلاس خراب الیکٹرانک چالکتا کا شکار ہے۔ [ ارومگم مانتھیرم، نیچر کمیونیکیشنز (2020) 11:1550]۔
لتیم پر مشتمل فاسفیٹس کی کیتھوڈز کے طور پر تلاش کے نتیجے میں olivine LiFePO 4 کی شناخت کیتھوڈ کے طور پر ہوئی [Padhi, AK, Nanjundaswamy, KS & Goodenough, JB Phospho-Olivines کو ریچارج ایبل لیتھیم بیٹریوں کے لیے مثبت الیکٹروڈ مواد کے طور پر۔ J. الیکٹرو کیم۔ Soc 144، 1188–1194 (1997] 1997 میں۔
لیکن، پولیئنین آکسائیڈ کلاس خراب الیکٹرانک چالکتا کا شکار ہے۔ [ ارومگم مانتھیرم، نیچر کمیونیکیشنز (2020) 11:1550]۔
کیتھوڈ مواد کی تیاری - لتیم آئن بیٹری
اس سے پہلے، لیتھیم میٹل آکسائیڈ کیتھوڈ مرکبات لتیم کاربونیٹ اور منتخب دھات کے نمک سے حل میں کی جانے والی کیمیائی تبدیلی کے رد عمل کی ایک سیریز کے ذریعے بنائے گئے تھے۔ مطلوبہ مصنوعات کو تیز اور سپرے سے خشک کیا جاتا ہے۔
LiCoO 2 سب سے پہلے روایتی ترکیب کے طریقہ کار سے تیار کیا گیا تھا جس کی نشاندہی شکل میں کی گئی ہے ۔ ٹرائیکوبالٹ ٹیٹرا آکسائیڈ (Co 3 0 4 ) اور لیتھیم کاربونیٹ (Li 2 CO 3 ) کو اچھی طرح ملایا گیا، جس کے بعد تقریباً 950ºC کے درجہ حرارت پر ہوا کے بہاؤ میں کیلکینیشن ہوا۔ تاہم، اس طریقے سے LiCoO 2 کے موٹے ذرات کو تیار کرنا بہت مشکل تھا اور صرف 1-3 بجے کے قطر والے باریک ذرات ہی حاصل کیے جاسکتے تھے۔
حفاظتی نقطہ نظر سے ٹھیک فعال الیکٹروڈ مواد مطلوبہ نہیں ہیں۔ بیرونی شارٹ سرکٹ یا کرشنگ جیسی زیادتیوں کی صورت میں، بڑے مخصوص سطحی رقبے والے باریک ذرات ایک وقت میں آسانی سے رد عمل ظاہر کرتے ہیں اور درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ بہت ہی کم وقت میں خلیے کی تمام توانائی اچانک خارج ہو جاتی ہے۔ بدترین صورت میں، سیل کو آگ لگ سکتی ہے [یوشیو نیشی، لیتھیم آئن بیٹریوں میں، ایم واکیہارا اور 0. یاماموٹو (ایڈز)۔ صفحہ 192-193]۔
لتیم آئن بیٹری کیسے تیار کی جاتی ہے؟ فلو چارٹ
تصویر 15۔ Li-CoO 2 بنانے کے لیے فلو چارٹ
[کریڈٹ: یوشیو نیشی، لیتھیم آئن بیٹریوں میں، ایم واکیہارا اور 0. یاماموتو (ایڈز)۔ صفحہ 192-193]۔
بڑے ذرہ سائز کے لیتھیم کوبالٹائٹ کی ترکیب کے لیے ایک بہتر عمل: پہلا نکتہ یہ ہے کہ خام مال (Co 3 0 4 اور Li 2 CO 3 )) کے مرکب میں پی وی اے رال کی تھوڑی سی مقدار کو ایک گرانولیٹر کے ساتھ دانے دار چھرے بنانے کے لیے شامل کیا جاتا ہے۔ . C0 2 گیس کی مناسب مقدار پر مشتمل ہوا کے بہاؤ میں چھروں کو sintering کرنے سے، 20pm کے اوسط قطر کے ساتھ لیتھیم کوبالٹائٹ کے ذرات کی ترکیب کی جاتی ہے۔ دوسرا نکتہ یہ ہے کہ ہم خام مال میں لیتھیم کاربونیٹ (Li 2 CO 3 ) کی قدرے زیادہ مقدار میں استعمال کرتے ہیں، اس لیے خام مال میں Li/Co جوہری تناسب ایک سے زیادہ ہے۔ یہ طریقہ کار موٹے ذرات کے حصول کے لیے بھی سازگار ہے، اور اس کے علاوہ، نتیجے میں LiCoO 2 میں تھوڑی مقدار میں بقایا Li 2 CO 3 شامل ہے۔
پہلا نکتہ یہ ہے کہ خام مال (Co304 اور Li 2 CO 3 ) کے مرکب میں PVA رال کی تھوڑی سی مقدار کو ایک گرانولیٹر کے ساتھ دانے دار چھرے بنانے کے لیے شامل کیا جاتا ہے۔ لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ کو sintering کے ذریعے لتیم کاربونیٹ Li 2 CO 3 اور کوبالٹ آکسائیڈ، Co 3 O 4 یا دھاتی کوبالٹ کے 600–800 ° C پر اعلی درجہ حرارت کی فائرنگ سے آسانی سے تیار کیا جا سکتا ہے، پھر پروڈکٹ کو اینیل کر کے 900 °C کئی گھنٹوں تک، سب آکسیجن ماحول کے تحت۔
یہ 750–900 °C تک لیتھیم ہائیڈرو آکسائیڈ کے ساتھ ہائیڈریٹڈ آکسائیڈ کے کیلکینیشن کے ذریعے بھی حاصل کیا جا سکتا ہے۔
تیسرا طریقہ پانی کے محلول میں لیتھیم ایسیٹیٹ، کوبالٹ ایسیٹیٹ اور سائٹرک ایسڈ کو مساوی داڑھ کی مقدار میں استعمال کرتا ہے۔ 80 ° C پر گرم کرنے سے مرکب ایک چپچپا شفاف جیل میں بدل جاتا ہے۔ اس کے بعد خشک جیل کو گراؤنڈ کیا جاتا ہے اور آہستہ آہستہ 550 ° C تک گرم کیا جاتا ہے۔ (https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_cobalt_oxide)۔
کچھ عام مثالیں ہیں: سول جیل کا طریقہ
سول جیل کے عمل میں، ری ایکٹنٹس کے آبی محلول اور چیلیٹنگ ایجنٹ کے محلول کو ملایا جاتا ہے۔ سالوینٹس کا آہستہ بخارات ایک سول پیدا کرتا ہے اور سول کی اعتدال پسند حرارت اس طرح حاصل کرنے سے ایک جیل پیدا ہوتا ہے۔ مؤخر الذکر کو مطلوبہ مصنوعات حاصل کرنے کے لیے مناسب درجہ حرارت پر کیلکائن کیا جاتا ہے۔
مثال 1۔
مختلف پیچیدہ ایجنٹوں سے LiCoO 2 کی ترکیب: استعمال شدہ نمکیات کوبالٹ نائٹریٹ ہیکسا ہائیڈریٹ (Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O، اور لیتھیم نائٹریٹ، اینہائیڈروس LiNO 3 تھے۔ جیل چار مختلف پیچیدہ ایجنٹوں کا استعمال کرتے ہوئے تیار کیا گیا تھا: سائٹرک ایسڈ، اینہائیڈروس (C 3 H 4 OH(COOH) 3 ، گلائسین، (H 2 NCH 2 COOH)؛ نشاستہ (کمرشل کارن نشاستہ اور جیلیٹن)۔
LiNO 3 اور Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O پر مشتمل پانچ محلول 20 ملی لیٹر پانی میں، Li:Co = 1.1:1 کے تناسب کے ساتھ تیار کیے گئے ہیں۔ ہر محلول میں ایک مخصوص پیچیدہ ایجنٹ شامل کیا جاتا ہے: ( i ) سائٹرک ایسڈ (4.611 جی) 5 ملی لیٹر پانی میں ملایا جاتا ہے۔ ( ii ) گلائسین (1.501 گرام)؛ ( iii ) نشاستہ (1.250 گرام)؛ ( iv ) جیلیٹائن (3.500 گرام) اور ( v ) خالی ٹیسٹ۔
جیل کے بننے تک پہلے چار محلولوں کو گلیسرین غسل میں 70 سے 80 ° C کے درجہ حرارت پر گرم کیا جاتا تھا۔ اس عمل کے وقت کی مقدار ہر جیلنگ ایجنٹ کے لیے مختلف ہوتی ہے: ( i ) سائٹرک ایسڈ (5 گھنٹے)، ( ii ) گلائسین (3 گھنٹے)، ( iii ) نشاستہ (1 گھنٹہ)، ( iv ) جیلیٹائن (3 گھنٹے) . تمام نمونوں کے لیے کرسٹل لائن پاؤڈر کی تیاری دو مراحل میں ایک مفل فرنس میں کی گئی تھی: پہلے مواد کو 20-30 منٹ کے لیے 300 ° C پر فائر کر کے اور بعد میں 24 گھنٹے کے لیے 700 ° C پر گرم کر کے۔ [برونو جی اے فریٹاس اور دیگر، جے براز۔ کیم Soc 28، 11، نومبر 2017]۔
مثال 2۔
سول-جیل طریقہ سے تیار کیا جاتا ہے۔
LiNO3 سب سے پہلے سائٹرک ایسڈ کے محلول میں تحلیل ہوتا ہے۔ LiNO3, Ni(NO3)2.6H2O Co(Ac)2.4H2O اور Mg(NO3)2.6H2O کو LiNi 0.7 – 𝑥 M 𝑥 Co 0.3 O2 (0 ⥽𝑩𝑩) میں لیتھیم، نکل، کوبالٹ، اور میگنیشیم کے ابتدائی مواد کے طور پر استعمال کیا گیا تھا۔ 0.1)، بالترتیب۔ سائٹرک ایسڈ کی مقدار Co, Ni اور Mg کی کل داڑھ کی مقدار کے برابر ہے۔ پھر، Co(Ac)2 4H2O، Ni(NO3)2 6H2O اور Mg(NO3)2 6H2O کو مرکب میں شامل کیا گیا۔ پورے مرکب کو پانی کے غسل سے 80∘C پر گرم کیا گیا تھا۔ حرارتی عمل کے دوران، بغیر کسی بارش کے ایک واضح، گلابی محلول بنتا ہے۔ آخر کار، صاف محلول آہستہ آہستہ خشک ہو کر جیل میں تبدیل ہو گیا۔ زیروجیل کو خشک کیا گیا، پیس لیا گیا، اور پھر ایک تندور میں 120 ڈگری سینٹی گریڈ پر 12 گھنٹے کے لیے گرم کیا گیا۔
جیل کے پیش خیمہ کو 6 گھنٹے کے لیے ہوا میں 500 ° C پر کیلکائن کیا گیا، اور ٹیوب فرنس میں کمرے کے درجہ حرارت پر ٹھنڈا کیا گیا۔ گرمی سے علاج شدہ مصنوعات کو پاؤڈر حاصل کرنے کے لیے ایک عقیق مارٹر میں پیس دیا جاتا تھا۔ اور پھر پاؤڈر کو 12 گھنٹے کے لیے 800 ° C پر کیلکائن کیا گیا۔ کیتھوڈس بنانے کے لیے، تیار شدہ مصنوعات کو پہلے ایسٹیلین بلیک اور پولی وینیلائیڈین فلورائیڈ (وزن میں 80:8:12) 𝑁-methyl pyrrolidone (NMP) میں ملایا گیا۔ اس کے بعد حاصل شدہ گارا کو ال فوائل پر لیپ کیا گیا اور مزید رول دبانے کے لیے 18 گھنٹے کے لیے 80 ڈگری سینٹی گریڈ پر خشک کیا گیا۔ . ہیلانگ ژانگ، مواد سائنس اور انجینئرنگ والیوم 2014 میں پیشرفت، آرٹیکل ID 746341، ]
تصویر 16۔ لتیم مینگنیٹ تیار کرنے کے لیے سول جیل کے عمل کے لیے فلو چارٹ
( کریڈٹ: YS Lee, YK Sun and KS, Nahm, Solid State Ionics 109 (1998) 285 جیسا کہ M. Pasquali, S. Passerini اور G Pistoia نے دیا ہے۔, Lithium بیٹریوں میں, سائنس اور ٹیکنالوجی, ed. GA Nazri اور G. Pistoia، Springer، New York، (2009)، صفحہ۔ 318)
لتیم آئن بیٹری میں انوڈ مواد کی تیاری
بہتر توانائی اور طاقت کی کثافت کے ساتھ LIBs کی طرف جانے والا حوصلہ افزا راستہ مناسب انوڈ مواد کا انتخاب ہے جو کہ اعلیٰ صلاحیت فراہم کر سکتا ہے اور انوڈ میں لی آئنوں کے پھیلاؤ میں آسانی فراہم کر سکتا ہے، ساتھ ساتھ اچھی سائیکل زندگی اور حفاظتی خدشات سے پاک۔
پیشگی مواد کی بنیاد پر، کاربن انوڈس کو کئی اقسام میں درجہ بندی کیا جا سکتا ہے جیسا کہ ذیل میں دیا گیا ہے۔
پیشگی مواد اور پروسیسنگ پیرامیٹرز پیدا ہونے والی کاربن کی نوعیت کا تعین کرتے ہیں۔ وہ مواد جو اعلی درجہ حرارت (2000 سے 3000 ° C) پر علاج کے ذریعے گرافیٹائز کیا جا سکتا ہے، نرم کاربن کہا جاتا ہے.
گرافٹائزیشن پر، ٹربوسٹریٹک ڈس آرڈر کو بڑھتے ہوئے درجہ حرارت کے ساتھ آہستہ آہستہ ہٹا دیا جاتا ہے، اور مواد میں تناؤ دور ہو جاتا ہے [T. ژینگ، جے این ریمرز، اور جے آر ڈہن، طبیعات Rev. B 51 , 734 (1995)] سخت کاربن ، جیسے کہ فینولک رال سے تیار کردہ، آسانی سے گرافٹائز نہیں ہو سکتے، یہاں تک کہ جب 3000 ° C پر علاج کیا جائے۔ کوک کی قسم کا مواد تقریباً 1000 ° C پر تیار کیا جاتا ہے، عام طور پر ایک خوشبودار پیٹرولیم پیشگی سے۔جیف ڈہن اور گرانٹ ایم ایرلچ۔ "لیتھیم آئن بیٹریاں”، لنڈن کی ہینڈ بک آف بیٹریز، 4 واں ایڈیشن، تھامس بی ریڈی (ایڈ.)، میک گرا ہل، پی پی 26.، 2011]
تصویر 17۔ کاربن انوڈ مواد کی پیشگی درجہ بندی
[کریڈٹ: جیف ڈہن اور گرانٹ ایم ایرلچ۔ "لیتھیم آئن بیٹریاں”، لنڈن کی ہینڈ بک آف بیٹریز، 4 واں ایڈیشن، تھامس بی ریڈی (ایڈ.)، میک گرا ہل، پی پی 26.، 2011]
گوریپارٹی نے LIB کے اینوڈ مواد کو لیتھیم کے ساتھ ان کے رد عمل کے طریقہ کار کی بنیاد پر تین زمروں میں تقسیم کیا ہے [ Subrahmanyam Goriparti, Ermanno Miele, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Remo Proietti Zaccaria, Claudio Capiglia, J Power Sources 257 (2014)42]42
انٹرکلیشن/ڈی-انٹرکلیشن گروپ
انوڈ کے اس زمرے میں کاربونیسیئس اور ٹائٹینیم آکسائیڈز مواد شامل ہیں۔ سٹوریج کی گنجائش جو انٹرکلیشن پاتھ سے ہوتی ہے اس کا سطحی رقبہ، مورفولوجی، کرسٹلنیٹی اور اس کی واقفیت سے گہرا تعلق ہے۔ نرم کاربن عام طور پر اچھی طرح سے قبول کیے جاتے ہیں اور بیٹری کی صنعت میں استعمال ہوتے ہیں۔ یہ دیکھا گیا کہ نرم کاربن کافی پختہ ٹیکنالوجی ہے، جب کہ سخت کاربن ایک دلچسپ متبادل حل پیش کر سکتا ہے خاص طور پر ان ایپلی کیشنز کے لیے جن کے لیے اعلیٰ صلاحیت کی ضرورت ہوتی ہے جیسے کہ الیکٹرک وہیکل سیکٹر میں۔ ٹائٹینیم آکسائیڈ اینوڈس پہلے ہی کچھ بیٹری انڈسٹریز استعمال کر رہے ہیں۔
گرافین کا بھی وسیع پیمانے پر جائزہ لیا گیا۔ خاص طور پر، یہ دیکھا گیا کہ ان کی برقی خصوصیات اس مواد کو خاص طور پر ہائبرڈ گرافین/میٹل اینوڈس (مثال کے طور پر SnO2 اور Fe2O3 کے ساتھ گرافین) کے لیے موزوں بناتی ہیں۔ کاربن نینو ٹیوبیں (CNTs) اپنے بہت ہی دلچسپ تعلیمی نتائج کے لیے اہم تھیں، حالانکہ پیداواری لاگت مستقبل کے لیے بیٹری انڈسٹری میں انوڈ ایکٹیو میٹریل کے طور پر ان کے استعمال میں رکاوٹ بن سکتی ہے۔
تاہم، بڑی EV بیٹریوں کے لیے، کم لاگت والے گریفائٹس کو عام طور پر لاگت کے لحاظ سے ترجیح دی جاتی ہے۔
دوسری قسم میں، مرکب سازی کے مواد جیسے Si، Ge، SiO، SnO2 کو بیان کیا گیا تھا۔ یہ مواد پچھلے گروپ کے مقابلے میں بڑی صلاحیت اور اعلی توانائی کی کثافت فراہم کر سکتے ہیں، ایک الائے/ڈی-ایلائے الیکٹرو کیمیکل میکانزم میں لتیم کے ساتھ رد عمل ظاہر کر کے۔ تاہم، یہ عمل بڑے حجم میں توسیع کا مطلب ہے جس کے نتیجے میں سائیکل چلانے پر صلاحیت میں کافی کمی واقع ہوتی ہے۔ بلک ڈائمینشنز سے نانوسکل تک کمی، کنڈیکٹیو میٹرکس کے ساتھ مل کر پیچیدہ ڈھانچے کی ادراک کے ساتھ، اوپر بیان کردہ مسائل پر قابو پانے اور مجموعی انوڈ کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے تجویز کی گئی ہے۔
سلیکون اور SnO2 اور کاربن کے ساتھ ان کا مرکب مستقبل کی لیتھیم بیٹریوں میں استعمال کرنے کے لیے سب سے زیادہ امید افزا مواد ہیں، تاہم، انوڈ مواد کے طور پر ان کی بڑے پیمانے پر پیداوار کے لیے ایک سستا طریقہ اب بھی ضروری ہے۔ دوسری طرف، Ge، اگرچہ اپنی الیکٹرو کیمیکل خصوصیات اور تجرباتی تجربہ گاہوں کے بہترین نتائج کے لیے دلچسپ ہے، زمین کی کرسٹ میں کثرت کے لحاظ سے پچاسویں درجے کا عنصر ہونے کی خرابی کا شکار ہے۔ لہذا، ایسا لگتا ہے کہ یہ لتیم بیٹری ٹیکنالوجی بڑے پیمانے پر ایپلی کیشن کے لیے اچھا آپشن نہیں ہے۔
تیسرے گروپ میں، تبادلوں کے رد عمل کے انداز میں لتیم کے ساتھ رد عمل ظاہر کرنے والے مواد کو بیان کیا گیا۔ خاص طور پر، دھاتی آکسائڈز/فاسفائیڈز/نائٹرائڈز/سلفائیڈز پر غور کیا گیا۔ تاہم، یہ مواد اب بھی بڑے تجارتی لتیم بیٹری مارکیٹ سے بہت دور ہیں، کمزور صلاحیت برقرار رکھنے اور بڑے ممکنہ ہسٹریسس کی وجہ سے۔ لہذا، مندرجہ بالا شناخت شدہ مسائل کو حل کرنے کے لئے ان مواد کی نینو ساختہ شکلوں کی ایک قسم کی بھی چھان بین کی گئی ہے۔
ایک نینو ٹیکنالوجی یقینی طور پر لیتھیم بیٹریوں کے لیے انوڈ مواد کی اگلی نسل کی انجینئرنگ کے لیے ایک زبردست طریقہ ہے۔ بیان کردہ مواد کو تجارتی LIBs میں موثر اینوڈس کے طور پر استعمال کرنے کے لیے، خاص طور پر EV ایپلی کیشنز کے لیے، تاہم مزید تحقیقی کام کی ضرورت ہے۔ درحقیقت، نانوزائزڈ مواد کی بڑے پیمانے پر ترکیب کے لیے سستے من گھڑت عمل کو تیار کرنے کے ساتھ ساتھ اعلی توانائی اور زیادہ طاقت کی کثافت دونوں کو حاصل کرنا ضروری ہے۔ مزید برآں، الیکٹروڈ/الیکٹرولائٹ انٹرفیس پر الیکٹران ٹرانسپورٹ کی خصوصیات کے ساتھ ساتھ بیان کردہ مواد کی لتیم اور نانوائزڈ شکلوں کے درمیان تعامل پر حکمرانی کرنے والے میکانزم کی تحقیقات نینو ٹیکنالوجی کے ذریعہ انجنیئر کردہ اینوڈ ایکٹو مواد کی اگلی نسل کی ڈیزائننگ کے لیے انتہائی اہمیت کی حامل ہے۔ .
منفی الیکٹروڈ فی الحال لتیم خلیوں میں کام کرتے ہیں کاربن کی ایک شکل میں لتیم کا ٹھوس حل شامل کرتے ہیں۔ لتیم خلیات جو لتیم کے پگھلنے کے نقطہ سے اوپر درجہ حرارت پر کام کرتے ہیں لازمی طور پر عنصری لتیم کے بجائے مرکب مرکب استعمال کریں۔ یہ عام طور پر بائنری یا ٹرنری دھاتی مراحل ہیں۔ الیکٹروڈ کے حجم کو کم کرنے کے ساتھ ساتھ نمایاں طور پر بڑھی ہوئی صلاحیت کو حاصل کرنے کے مقصد کے ساتھ، محیطی درجہ حرارت پر کاربن کے بجائے دھاتی مرکبات کے استعمال کے امکان میں موجودہ دلچسپی بھی بڑھ رہی ہے۔ [Robert A. Huggins, Advanced Batteries, Materials Science Aspects, Springer, New York, 2009, p.123]۔
گریفائٹ امفوٹیرک ہے، اور گرافین کی تہوں کے درمیان اس میں یا تو کیشنز یا اینونز داخل کیے جا سکتے ہیں۔ جب کیشنز ڈالے جاتے ہیں، میزبان گریفائٹ ڈھانچہ منفی چارج لیتا ہے۔ کیشن کی مثالیں Li + , K + , Rb + , اور Cs + ہیں۔ جب anions داخل کیے جاتے ہیں، میزبان گریفائٹ ڈھانچہ ایک مثبت چارج لیتا ہے، اور anion کی مثالیں ہیں Br − ,SO2 – , SbF6 –
کاربن میں الکلی دھاتوں کے داخل ہونے کا پہلا مظاہرہ 1926 [K. Fredenhagen اور G. Cadenbach, Z. Anorg. آل جی۔ کیم 158, 249 (1926)] اور لیتھیم کاربن کی کیمیائی ترکیب کا مظاہرہ 1955 میں کیا گیا تھا۔ [ D. Guerard, A. Herold, Carbon 13, 337 (1975 )]۔ ایکس رے فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی کے تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ داخل کیا گیا لیتھیم اپنا الیکٹران کاربن میں چھوڑ دیتا ہے، اور اس طرح ساخت کو گریفائٹ ڈھانچے کی کاربن تہوں کے درمیان موجود Li + آئن کے طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔
[GK Wertheim، PMTh.M. وان اٹیکم اور ایس باسو، سالڈ اسٹیٹ کمیون۔ 33، 1127 (1980)]۔ گریفائٹ میں پرجاتیوں کے داخل کرنے پر ابتدائی کام کا عمومی جائزہ اس میں پایا جا سکتا ہے۔
[LB Ebert, Intercalation Compounds of Graphite, in Annual Review of Material Science,
والیوم 6، ایڈ. بذریعہ RA Huggins, Annual Reviews, Palo Alto, CA (1976), p. 181]۔
انوڈ مواد کی پاکیزگی میں اہم عنصر سطح پر آکسیجن پر مشتمل کسی بھی قسم کو ختم کرنے کی ضرورت ہے کیونکہ یہ الیکٹرولائٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کریں گے۔ اس ردعمل کو روکنے کے لیے، مینوفیکچررز گریفائٹ کو 1100ºC) پر کم کرنے یا غیر فعال ماحول میں پکاتے ہیں۔ یہ گریفائٹ کے مقابلے میں دوسرے استعمال کی لاگت کو بڑھاتا ہے۔ انوڈ پیسٹ یا گارا بنانے کے لیے کاربن (90%) کو کئی دیگر اجزاء کے ساتھ ملایا جاتا ہے۔ کیتھوڈ کی طرح، پولی وینیلائیڈین فلورائیڈ (PVDF) کو بائنڈر (-5%) کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، اور چالکتا کو یقینی بنانے کے لیے تھوڑی مقدار میں کاربن بلیک شامل کیا جاتا ہے۔ اس کے علاوہ، n-methyl pyrrolidone (NMP) کا استعمال ایک یکساں مرکب بنانے کے لیے مواد کو حل کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ دباؤ اناج کے یکساں سائز کو یقینی بناتا ہے (سینڈی 1999)۔
Lithium titanate (LTO) بہت زیادہ دلچسپی حاصل کر رہا ہے۔ LTO خلیات دیگر کیمسٹریوں کے مقابلے کم درجہ حرارت پر کام کرتے ہیں اور اعلی طاقت کی کثافت پیش کرتے ہیں۔ تاہم، ایسے خلیے تقریباً 2.2-2.3 V فی سیل کی حد میں، کم برائے نام وولٹیج رکھنے کا شکار ہوتے ہیں۔ [Norio Takami, Hiroki Inagaki, Yoshinao Tatebayashi, Hidesato Saruwatari, Keizoh Honda, Shun Egusa, J Power Sources 244 (2013) 469-475]
الیکٹروڈ مواد، عام طور پر گریفائٹ، چارج کرنے کے عمل کے دوران 10 فیصد تک پھیلتا ہے۔ جب لیتھیم آئنز ڈیانٹرکیلیٹ ہو جاتے ہیں تو گریفائٹ اپنا اصل حجم دوبارہ حاصل کر لیتا ہے۔ اگر ایلومینیم استعمال کیا جائے تو لتیم آئنوں کو نہ صرف گریفائٹ میں داخل کیا جائے گا بلکہ کنڈکٹر میں بھی داخل کیا جائے گا، اس طرح ایلومینیم-لیتھیم مرکب بنتا ہے۔ الٹا عمل خارج ہونے کے دوران واقع ہوگا۔ ایلومینیم چند چکروں کے بعد کم ہو جائے گا اور موجودہ کلیکٹر کے طور پر بیکار ہو جائے گا.
تاہم، اگر منفی الیکٹروڈ گریفائٹ کے بجائے لیتھیم ٹائٹینیٹ سے بنایا جائے تو صورتحال ڈرامائی طور پر بدل جاتی ہے۔ Li 4 Ti 5 O 12 کا الیکٹروڈ پوٹینشل گریفائٹ سے تقریباً 1.4 V زیادہ ہے (سیل وولٹیج تقریباً 1.4 V کم ہے، 2.2 V کے مقابلے میں 3.6 V)۔ یہ لتیم آئنوں کو ایلومینیم میں داخل ہونے سے روکے گا۔ لہذا، قیمت سے متعلق اور وزن سے متعلق وجوہات کی بناء پر ایلومینیم کو تانبے پر ترجیح دی جاتی ہے۔ Li 4 Ti 5 O 12 بنیادی طور پر سٹیشنری ایپلی کیشنز میں اس کے کم سیل وولٹیج کی وجہ سے استعمال ہوتا ہے۔ [ Călin Wurm et al .
لتیم ٹائٹینیٹ پیدا کرنے کا عمل: ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ اور لتیم مرکب (ان میں سے کوئی ایک: لتیم کاربونیٹ، لتیم ہائیڈرو آکسائیڈ، لتیم نائٹریٹ، اور لتیم آکسائیڈ) کا مرکب 670 ° C اور 800 ° C کے درمیان درجہ حرارت پر پہلے سے سنٹر کیا جاتا ہے۔ . TiO 2 ، اور Li 2 TiO 3 پر مشتمل ایک مرکب یا TiO 2 ، Li 2 TiO 3 ، اور Li 4 Ti 5 O 12 پر مشتمل ایک مرکب حاصل کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد مرکب کو 800 سے 950 ° C کے درجہ حرارت پر سنٹر کیا جاتا ہے۔ [Tetsuya Yamawaki et.al., US Patent 6,645,673 B2, 2003 Toho Titanium Co., Ltd., Chigasaki کو تفویض کیا گیا]
توشیبا کی SCiB™ ریچارج ایبل بیٹری (https://www.scib.jp/en/)
SCiB™ حفاظت، لمبی زندگی، کم درجہ حرارت کی کارکردگی، تیز رفتار چارجنگ، اعلی ان پٹ/آؤٹ پٹ پاور اور بڑی موثر صلاحیت کے حصول کے لیے اپنے انوڈ میں لیتھیم ٹائٹینیم آکسائیڈ (LTO) کا استعمال کرتا ہے۔ SCiB™ کو گاڑیوں، صنعتی اور بنیادی ڈھانچے کی ایپلی کیشنز بشمول آٹوموبائل، بسیں، ریل روڈ کاریں، ایلیویٹرز اور پاور پلانٹس میں وسیع ایپلی کیشنز ملے ہیں۔
لتیم آئن بیٹری الگ کرنے والا پیداوار
دو قسم کے عمل دستیاب ہیں: گیلے اور خشک۔ جاپانی مینوفیکچررز ایک گیلے عمل کا استعمال کرتے ہیں جس میں پولیمر تیل میں گھل جاتا ہے۔ اس کے بعد تیل کو ایک غیر محفوظ فلم چھوڑنے کے لیے بخارات بنا دیا جاتا ہے۔ وہ سیلگارڈ بنانے کے لیے الٹرا ہائی مالیکیولر وزن والے پولیمر استعمال کرتے ہیں، پولیمر کی ساخت کو کنٹرول کرنے کے لیے اڑا ہوا پولیمر فلم کی تین تہوں کو لیمینیٹ کیا جاتا ہے، نیچے کھینچا جاتا ہے اور پگھلنے والے مقام کے نیچے اینیل کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد پروسیٹی حاصل کرنے کے لیے شیٹ کو تیزی سے کھینچا جاتا ہے۔
دو قسم کے عمل دستیاب ہیں: گیلے اور خشک۔ جاپانی مینوفیکچررز ایک گیلے عمل کا استعمال کرتے ہیں جس میں پولیمر تیل میں گھل جاتا ہے۔ اس کے بعد تیل کو ایک غیر محفوظ فلم چھوڑنے کے لیے بخارات بنا دیا جاتا ہے۔ وہ سیلگارڈ بنانے کے لیے الٹرا ہائی مالیکیولر وزن والے پولیمر استعمال کرتے ہیں، پولیمر کی ساخت کو کنٹرول کرنے کے لیے اڑا ہوا پولیمر فلم کی تین تہوں کو لیمینیٹ کیا جاتا ہے، نیچے کھینچا جاتا ہے اور پگھلنے والے مقام کے نیچے اینیل کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد پروسیٹی حاصل کرنے کے لیے شیٹ کو تیزی سے کھینچا جاتا ہے۔
[Pekala, RW, et al. Lauderdale، Fla.، مارچ 6-9]
یہ عمل آپریٹنگ حالات کے لیے بہت حساس ہے اور یہاں تک کہ مواد کے بیچوں میں بھی مختلف ہوتا ہے، اس لیے محتاط کنٹرول ضروری ہے [لنڈا گینس اور رائے کوینکا، گاڑیوں کے لیے لیتھیم آئن بیٹریوں کی قیمت، ANL رپورٹ ANL/ESD-42، مئی 2000، صفحہ 20] .
تاہم، EV/HEV خلیات کے لیے الگ کرنے والوں میں درکار اضافی موٹائی کم ہونے والی طاقت کی تلافی کرتی ہے۔ [Y. نشی، میں: M. Wakihara، O. Yamamoto (Eds.)، Lithium Ion Batteries، Wiley/VCH/Kodansha، Tokyo، 1998، p. 195.
پی اروڑہ، زیڈ ژانگ، کیم۔ Rev. 104 (2004) 4419]۔
روایتی خصوصیات جیسے کہ اچھی میکانکی طاقت، الیکٹرولائٹ پارگمیبلٹی کے علاوہ، یہ مائیکرو پورس سیپریٹرز سیل کی زیادتی کے دوران ایک حفاظتی خاصیت کو ظاہر کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، اگر سیل کا درجہ حرارت ضرورت سے زیادہ اضافی چارج کی وجہ سے غیر معمولی طور پر بڑھتا ہے، مثال کے طور پر، پیدا ہونے والی حرارت PE کو نرم کر دیتی ہے اور فلم میں موجود مائکرو پورز کو بند کر دیتی ہے۔ اسے الگ کرنے والا "شٹ ڈاؤن” کہا جاتا ہے۔ ایک بار بند ہونے کے بعد، الیکٹروڈ کے درمیان آئنک نقل و حمل کو مؤثر طریقے سے روک دیا جاتا ہے اور کرنٹ کا بہاؤ بند ہو جاتا ہے۔ اگر الگ کرنے والا مکینیکل سالمیت کو اپنے بند درجہ حرارت سے اوپر برقرار رکھ سکتا ہے، تو یہ آلہ کو حفاظت کا ایک مارجن فراہم کر سکتا ہے۔ بصورت دیگر، الیکٹروڈس براہ راست رابطے میں آ سکتے ہیں، کیمیائی رد عمل ظاہر کر سکتے ہیں، جس سے تھرمل بھاگ جاتا ہے۔
تاہم، یہ ممکن ہے کہ تھرمل جڑتا کی وجہ سے درجہ حرارت بند ہونے کے بعد بھی بڑھتا رہے۔ ایسی حالتوں میں الگ کرنے والا الیکٹروڈ کو پگھلا کر چھوٹا کر دے گا، جس سے پرتشدد ردعمل اور گرمی پیدا ہو گی۔ اس رجحان کو الگ کرنے والے کا "میلٹ ڈاؤن” یا "بریک ڈاؤن” کہا جاتا ہے۔ لہذا، سیل کی حفاظت کو یقینی بنانے کے لیے، "شٹ ڈاؤن” اور "میلٹ ڈاؤن” درجہ حرارت کے درمیان فرق زیادہ سے زیادہ ہونا چاہیے۔
مکمل طور پر اعلی کثافت والی پولی تھیلین سے بنے جداکار 135°C پر پگھل جاتے ہیں اور اس درجہ حرارت سے زیادہ مکینیکل سالمیت کھو دیتے ہیں۔ تاہم، پولی پروپیلین اور پولی تھیلین کی لیمینیٹنگ تہوں سے بنائے گئے جداکار کم از کم 165°C تک مکینیکل سالمیت کو برقرار رکھتے ہیں، پولی پروپیلین کا پگھلنے والا مقام۔ یہ نوٹ کرنا دلچسپ ہے کہ اگرچہ الٹرا ہائی مالیکیولر ویٹ پولیتھیلین 135°C پر پگھلتی ہے، لیکن اس مواد سے بنائے گئے جداکار کم از کم 180°C تک اپنی مکینیکل سالمیت کو برقرار رکھتے ہیں کیونکہ مواد کی چپکنے والی ایسی ہے کہ یہ جسمانی سالمیت کو برقرار رکھتی ہے۔
شٹ ڈاؤن الگ کرنے والے قابل اعتماد ہیں اور لیتھیم آئن بیٹری بنانے والے تیزی سے اپنی مصنوعات میں شامل کرنے کا انتخاب کر رہے ہیں۔ سب سے عام شٹ ڈاؤن سیپریٹرز میں ہائی مالیکیولر ویٹ پولی پروپیلین سپر ہائی مالیکیولر ویٹ پولی تھیلین کے ساتھ ملا ہوا ہے۔ یہاں، پولی تھیلین کی منفرد شٹ ڈاؤن خاصیت کو بلند درجہ حرارت پر پولی پروپیلین کی اعلی مکینیکل سالمیت کے ساتھ سازگار طریقے سے ملایا جاتا ہے۔ چونکہ شٹ ڈاؤن ناقابل واپسی ہے، ایک بار فعال ہونے کے بعد، یہ الگ کرنے والے خلیات کو مستقل طور پر نقصان پہنچا کر چھوڑ دیتے ہیں۔ [پی جی بالاکرشنن، آر رمیش، ٹی پریم کمار ، جے پاور سورسز۔ 155 (2006) 401–414]
لتیم آئن بیٹری میں دیگر مواد
دیگر مواد جیسے موجودہ کلیکٹر جیسے ایلومینیم، نکل اور تانبے کے ورق ، بائنڈر جیسے s tyrene-butadiene copolymer (SBR)، اور p olyvinylidene fluoride (PVDF)، الیکٹرولائٹس اور سالوینٹس، کیتھوڈ کنڈکٹیو ایڈیٹیو، جداکار۔
لتیم آئن بیٹری کے فوائد اور حدود - لتیم آئن سیل کی تیاری
انوڈ سے کیتھوڈ وزن کا تناسب
یہ بہت ضروری ہے کہ سیل کے آپریشن کے دوران کوئی لتیم دھات نہ بنے۔ دھات کے جمع ہونے سے ڈینڈرائٹس بنتے ہیں جو سیل کو اندرونی طور پر چھوٹا کرتے ہیں۔ چارجنگ کے دوران وولٹیج کنٹرول اور سیل بیلنس اس مسئلے کو کافی حد تک کم کرنے میں مدد کرتا ہے۔ لیتھیم جمع کو کنٹرول کرنے کا بنیادی طریقہ سیل میں انفرادی پلیٹوں کی کیتھوڈ کی صلاحیت کے ساتھ اینوڈ کا تناسب ہے۔ اینوڈ الیکٹروڈ میں کیتھوڈ کے مقابلے میں تقریباً 10 فیصد زیادہ قابل استعمال صلاحیت ہے۔ یہ چارج کے دوران انوڈ پر لیتھیم دھات کے جمع ہونے سے روکتا ہے، کیونکہ کیتھوڈ سیل کی صلاحیت کا تعین کرتا ہے۔ اگر لتیم دھات الیکٹروڈ کی سطح پر جمع ہوتی ہے، تو یہ الیکٹرولائٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتی ہے اور تھرمل بھاگنا شروع کر سکتی ہے۔
تصویر 21۔ لتیم آئن سیل میں انوڈ اور کیتھوڈ صلاحیت کا تناسب
( کریڈٹ: Ralph J. Brodd and Kazuo Tagawa, in Advances in Lithium-ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, pp. 272, 2002.)
لتیم آئن سیل اسمبلی کے عمل
لیتھیم آئن بیٹری کے لیے سیل اسمبلی کے عمل کو درستگی اور درستگی کی ضرورت ہوتی ہے جب مثبت اور منفی الیکٹروڈ اسٹاک کو فعال مواد کے ساتھ لیپت کیا جاتا ہے۔ کوٹنگ کا عمل اعلیٰ صلاحیت، اعلیٰ قابل اعتماد مصنوعات کو یقینی بنانے میں ایک اہم عنصر ہے۔ اگر کوٹنگز ناقص معیار کی ہیں تو صرف کم کارکردگی والی بیٹریاں ہی تیار کی جائیں گی۔ فعال ماس کی تیاری میں ابتدائی اقدامات نتائج کا تعین کرتے ہیں۔
کوہن اور گٹوف [ای. کوہن اور ای گٹوف، جدید کوٹنگ اور خشک کرنے والی ٹیکنالوجی، ولی-وی سی ایچ،
نیو یارک، 1992] کوٹنگ سلوری، مطلوبہ درستگی اور کوٹنگ کی رفتار کی بنیاد پر، کسی خاص ایپلی کیشن کے لیے بہترین کوٹنگ تکنیک تک پہنچنے کے لیے ایک طریقہ کار کی وضاحت کریں۔
تصویر 22۔ انوڈ اور کیتھوڈ کوٹنگ کا عمل
( شرح
لتیم آئن بیٹری کی تیاری کے لیے فلو چارٹ
تصویر 23۔ لیتھیم آئن سیلز کی تیاری کے لیے فلو چارٹ
[Ralph J. Brodd and Kazuo Tagawa in Advances in Lithium-ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds.), Kluwer Academic Publishers, New York, pp. 271, 2002۔]
کریڈٹ: Electropaedia https://www.mpoweruk.com/battery_manufacturing.htm
تصویر 24۔ خام مال سے الیکٹروڈ کی تیاری کے لیے فلو چارٹ
لتیم آئن سیل اسمبلی
لیتھیم آئن بیٹری مینوفیکچررز سیلز کو جمع کرتے وقت درج ذیل نکات پر توجہ دیتے ہیں:
- لتیم آئن سیل کے ڈیزائن کے نتیجے میں الیکٹروڈ کے پورے علاقے میں یکساں کرنٹ کثافت ہونی چاہیے۔
- فعال مواد (AM) اور موجودہ کلکٹر کے درمیان اچھے رابطے کو یقینی بنانے کے لیے
- خلیات کو اعلیٰ کارکردگی دینے کے لیے سطح کے بڑے حصے کے الیکٹروڈ لگائے جاتے ہیں۔ یہ پولرائزیشن کو کم کرتا ہے، یعنی الیکٹروڈ ری ایکشنز کے حرکیات کی وجہ سے وولٹیج کے نقصانات اور الگ کرنے والے کے پار وولٹیج کی کمی کو کم کرتا ہے۔
تاکنا ڈھانچہ اور کوندکٹو کاربن کا امتزاج فعال مادّے کا ایک اچھا انٹر پارٹیکل رابطہ فراہم کرتا ہے۔
فعال مواد کے مکمل استعمال اور اعلیٰ کارکردگی کے دوران اچھی کارکردگی کے لیے فعال مواد، کنڈکٹیو کاربن اور موجودہ کلیکٹر کے درمیان اچھا رابطہ ضروری ہے۔
کوبالٹ کیتھوڈ مکس LiCoO2 (ایک سیاہ پاؤڈر) + PVdF بائنڈر (ایک سفید نیم کرسٹل فلورو پولیمر تھرمو پلاسٹک) + N-methyl pyrrolidone (NMP، ایک بے رنگ نامیاتی مائع) سے بطور سالوین تیار کیا جاتا ہے۔ LICoO2 نان کنڈکٹیو ہونے کے ناطے، ایک کوندکٹو ڈائلائنٹ، ہمیشہ کاربن بلیک، LiCoO2 کی چالکتا کو بڑھانے کے لیے شامل کیا جاتا ہے۔
مواد کے تناسب اور مقدار کا تعین سیل کے ڈیزائن اور مکسر کے سائز سے ہوتا ہے۔ کوٹنگ سالوینٹس اور بائنڈر کو شامل کرنے سے پہلے نان کنڈکٹنگ ایکٹیو میٹریل اور کاربن کو خشک کرنے کے لیے ایک گہرا مکسنگ طریقہ کار استعمال کیا جاتا ہے۔
مرکب کو خشک ملایا جاتا ہے تاکہ فعال مادے کے ذرات کو کنڈکٹو کاربن کی پتلی فلم کے ساتھ یکساں کوٹنگ دی جائے تاکہ AM اور موجودہ کلیکٹر گرڈ (ایلومینیم فوائل، موٹائی میں 20 ملی میٹر) کے درمیان برقی رابطہ بہتر ہو، اس طرح تمام AM کے مکمل استعمال کو یقینی بنانا۔ پولیمر NMP کو کوٹنگ سالوینٹ میں الگ کنٹینر میں تحلیل کیا جاتا ہے۔ خشک مرکب مرکب اور پھر سالوینٹ محلول کو ملا کر گارا بنا دیا جاتا ہے۔
سالوینٹس کے اضافے کا استعمال کوٹنگ آپریشن کے لیے سلوری (یا پینٹ) کی چپچپا پن کو ایڈجسٹ کرنے کے لیے کیا جاتا ہے ۔ Polyvinylenedifluoride (PVdF) انتخاب کا بائنڈر ہے اور سالوینٹ N-methylpyrollidinone (NMP) ہے۔ مکسنگ آپریشن سے گارا سیل بند کنٹینرز میں رکھا جاتا ہے، جو کوٹنگ آپریشنز کے لیے ذخائر اور ٹرانسفر میڈیم کا کام کرتے ہیں۔ کوٹنگ کے سر پر جانے والے سیال میں ہوا کے داخل ہونے سے بچنے کے لیے کوٹنگ سلری کی درست مقدار کو اسٹوریج کنٹینر سے گیئر پمپ، یا اسی طرح کے پریزیشن پمپ سے پمپ کیا جاتا ہے۔
اینوڈ مکس اسی طرح ہارڈ کاربن، پی وی ڈی ایف بائنڈر اور این ایم پی کے ساتھ تیار کیا جاتا ہے۔ اس مرکب کو تانبے کے ورق پر لیپت کیا جاتا ہے جسے گرڈ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے (10 ملی میٹر موٹائی)۔
کوٹنگ دونوں طرف سے تقریباً 100 ملی میٹر موٹائی میں انوڈس اور کیتھوڈس دونوں کے لیے کی جاتی ہے۔ کوٹنگ کی موٹائی کو کم کرنے سے سیل کے ایک خاص حجم کے لیے سطح کے کل رقبے میں اضافہ حاصل کیا جاتا ہے۔ استعمال شدہ نامیاتی الیکٹرولائٹس پانی کے مقابلے میں کم چالکتا رکھتے ہیں اور اس لیے یہ اونچی سطح کا رقبہ ایک اعلی طاقت خارج کرنے والے سیل کے لیے سہولت فراہم کرے گا۔
الیکٹروڈ کی موٹائی زیادہ سے زیادہ مطلوبہ طاقت پر منحصر ہے۔ لیتھیم آئن بیٹری مینوفیکچرنگ ٹیکنالوجی کی ایک انوکھی خصوصیت یہ ہے کہ یہ ایک ہی الیکٹروڈ مینوفیکچرنگ ٹیکنالوجی کے ساتھ پاور/انرجی ریشو ڈیزائن کی ایک وسیع رینج کی اجازت دیتی ہے۔ [براؤسلی، ناظری صفحہ 651]۔ لیکن مناسب موجودہ مجموعہ اور ٹیبنگ، سیل کی شکل اور ڈیزائن اہم ہیں۔
سیل اسمبلی: لیپت ورق سالوینٹ کو بخارات بنانے اور ورق پر فعال ماس کی درست مقدار چھوڑنے کے لیے تندور سے گزرتا ہے۔ بہت سے کوٹنگ سالوینٹس کو خطرناک کے طور پر درجہ بندی کیا جاتا ہے اور انہیں فضا میں چھوڑا نہیں جا سکتا۔ لاگت کی بچت کے اقدام کے طور پر، سالوینٹس کو عام طور پر اس عمل میں دوبارہ استعمال کے لیے بازیافت کیا جاتا ہے۔ ماحول کی کسی بھی آلودگی سے بچنے کے لیے سالوینٹس کو جلایا جا سکتا ہے۔
زیادہ تر لتیم آئن خلیے بیلناکار شکل کے ہوتے ہیں۔ جیلی رول کو پرزمیٹک خلیوں کے عناصر حاصل کرنے کے لیے چپٹا کیا جاتا ہے۔
پرزمیٹک خلیات بہتر حجم بھرنے کے لیے سازگار ہوتے ہیں، لیکن سائیکل چلانے یا عمر بڑھنے پر ابھرنے کے لیے ذمہ دار ہوتے ہیں۔ بیلناکار سیل کین بہتر مکینیکل طاقت، اچھی جہتی استحکام اور عناصر میں یکساں دباؤ پیش کرتے ہیں۔
کوٹنگ آپریشن کنڈلی کی لمبائی سے ملنے کے لئے رکاوٹ کوٹنگ تیار کرتا ہے۔ وائنڈنگ مشینیں کیتھوڈس اور اینوڈس کے خشک جمبو رولز اور سیپریٹر (25 ملی میٹر یا اس سے کم موٹائی، پی پی یا پی ای یا مکسڈ) کے استعمال کے لیے خودکار طور پر کام کرنے کے لیے بنائی گئی ہیں۔
کاموں کا آغاز ٹیبز کو ورقوں کے بغیر کوٹے ہوئے حصے پر ویلڈنگ سے ہوتا ہے۔ وائنڈنگ مشین پھر پٹی کو مناسب لمبائی میں کاٹتی ہے اور مرکب اینوڈ-سیپریٹر-کیتھوڈ کو جیلی رول کے انداز میں ایک تنگ کوائل یا بوبن میں سمیٹتی ہے۔ جیسے جیسے زخم کا مرکز قطر میں بڑھتا ہے، وائنڈنگ مشین خود بخود مستقل تناؤ کو برقرار رکھنے کی تلافی کرتی ہے کیونکہ قطر پر قریبی رواداری کے لیے کوائل قطر میں بڑھ جاتی ہے۔ پرزمیٹک خلیوں کے لیے بیضوی ہوا ایک زیادہ پیچیدہ اور سست عمل ہے۔
سمیٹنے کے بعد، کنڈلی کو ڈبے میں داخل کرنے سے پہلے اندرونی شارٹس کی جانچ پڑتال کی جاتی ہے۔ سٹیل کے ڈبے صاف اور نکل چڑھائے ہوئے ہونے چاہئیں تاکہ ایک مستحکم سطح فراہم ہو اور سیل اسمبلی سے پہلے سنکنرن کو کم سے کم کیا جا سکے۔ اینوڈ لیڈ کو کین کے نیچے ویلڈیڈ کیا جاتا ہے اور کیتھوڈ لیڈ کو سیفٹی وینٹ میں ویلڈ کیا جاتا ہے۔ الیکٹرولائٹ کو آدھے جمع سیل میں شامل کیا جاتا ہے۔ اسمبلی سب سے اوپر کور کے crimping کے ساتھ ختم ہو گیا ہے.
ممکنہ خلیے کی خرابیوں کو جلد مسترد کرنا ایک معاشی اقدام ہے اور خراب خلیوں پر مزید کام کو روکتا ہے۔ بوبن کو کین میں داخل کیا جاتا ہے تاکہ کین عنصر کے اجزاء کو ایک دوسرے کے قریب رکھنے کے لیے مسلسل دباؤ فراہم کرتا ہے، اس طرح ان کے درمیان خالی ہونے کا کوئی امکان ختم ہوجاتا ہے۔ کچھ مینوفیکچررز کنڈلی کے مرکز کو مستحکم کرنے کے لیے مینڈریل ڈال سکتے ہیں۔
جب تک کہ تمام کارروائیاں خشک کمرے یا خشک خانے میں نہ کی جائیں، الیکٹرولائٹ بھرنے کے عمل سے پہلے فعال مواد میں جذب شدہ پانی کو حرارت اور ویکیوم کے ذریعے ہٹا دیا جانا چاہیے۔
الیکٹرولائٹ کی درستگی ویکیوم فلنگ اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کی جاتی ہے کہ الیکٹرولائٹ پھیل جائے اور الگ کرنے والے اور الیکٹروڈ ڈھانچے میں دستیاب پورسٹی کو مکمل طور پر پُر کرے۔ صحت سے متعلق پمپ اچھے سیل آپریشن کے لیے درکار الیکٹرولائٹ کے حسابی حجم کو میٹر کرتے ہیں۔ ہمیشہ تمام مینوفیکچررز LiPF 6 (ایک غیر نامیاتی سفید کرسٹل مرکب) کو الیکٹرولائٹ کے طور پر استعمال کرتے ہیں اور سائکلک (EC، ethylene carbonate) یا لکیری کاربونیٹ (DMC، dimethyl carbonate، DEC، diethyl carbonate، یا EMC، ethyl-methyl carbonate، وغیرہ) ہیں۔ اس الیکٹرولائٹ نمک کے لیے سالوینٹس۔
ڈائمتھائل کاربونیٹ (DMC) اور/یا ڈائیتھائل کاربونیٹ (DEC) کے ساتھ ایتھیلین کاربونیٹ (EC) کے سالوینٹ مرکب پر مبنی الیکٹرولائٹس عام طور پر "4 V” کیتھوڈس (کوبالٹیٹ، نکلیٹ اور مینگنیٹ) کے ساتھ مل کر لیتھیم آئن بیٹریوں کے لیے استعمال ہوتے ہیں کیونکہ سالوینٹس کی اعلی آکسیکرن صلاحیت۔
سیل کو الیکٹرولائٹ سے بھرنے کے بعد، سیل کو پولیمر گسکیٹ یا سیل کین اور اوپری پلیٹ کے درمیان رکھے گئے گرومیٹ کے کنٹرول شدہ کمپریشن کے ذریعے سیل کر دیا جاتا ہے۔ پولیمر گسکیٹ سیل پر دباؤ کو پولیمر کی لچکدار حد کے اندر رکھنے کے لیے کنٹرول کیا جاتا ہے۔ اگر لچکدار حد سے تجاوز کر جائے تو پولیمر کولڈ بہتا ہے اور مہر سے سمجھوتہ کرتا ہے۔
ہر کارخانہ دار خلیوں کو سیل کرنے کے لیے کچھ مختلف مکینیکل تعمیرات کا استعمال کرتا ہے لیکن حتمی نتائج بنیادی طور پر ایک جیسے ہوتے ہیں۔ عام طور پر، سیل کے اوپری حصے کے قریب ایک کندھا یا کندھا بنتا ہے۔ یہ سیل کی بنیاد کے طور پر کام کرتا ہے اور جیلی رول کو جگہ پر رکھتا ہے اور کمپن اور جھٹکے کے زیر اثر زخم بوبن کی دوربین یا پوزیشن کو تبدیل کرنے سے روکتا ہے۔
پوزیشن میں کوئی بھی تبدیلی موجودہ تقسیم میں تبدیلی کا سبب بنتی ہے اور اس کے نتیجے میں سائیکل کی خراب زندگی یا اعلی کارکردگی والے خلیوں میں لتیم چڑھانا پڑتا ہے۔ سیل ٹاپ پلیٹ سیل میں ایک وینٹ، ایک مثبت درجہ حرارت کوفیشینٹ عنصر (PTC) اور کرنٹ انٹرپٹ (CID) حفاظتی آلات ہوتے ہیں۔ سی آئی ڈی اور پی ٹی سی دونوں حفاظتی آلات ہیں جنہیں متحرک کرنے اور خطرناک درجہ حرارت اور دباؤ کو سیل میں داخل ہونے سے روکنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ سب سے اوپر اسمبلی میں شامل ہونے سے پہلے ہر ایک آلات کو مناسب آپریشن کے لئے چیک کیا جاتا ہے.
مہر لگانے کے بعد خلیوں کو دھویا جا سکتا ہے، جیکٹ لگایا جا سکتا ہے اور لیبل لگایا جا سکتا ہے۔ انہیں تیاری کے دن کا سراغ لگانے اور سیل کے تمام اجزاء (الیکٹروڈ میٹریل، الیکٹرولائٹ، الگ کرنے والا اور اس طرح) کی شناخت کے لیے ایک سیریل نمبر دیا جاتا ہے۔ صلاحیت اور وولٹیج سے متعلق معلومات سیل نمبر کے ساتھ محفوظ کی جاتی ہیں اور بعد میں پیک اسمبلی کے لیے سیلز سے ملنے کے لیے استعمال کی جاتی ہیں۔
دیرپا ہرمیٹک مہریں فراہم کرنے کے لیے خلیوں کو شیشے سے دھاتی مہروں کے ساتھ لیزر ویلڈیڈ کیا جا سکتا ہے۔ بڑے خلیوں کے ساتھ، محفوظ آپریشن کو یقینی بنانے کے لیے زیادہ احتیاط برتنی چاہیے، یہاں تک کہ بدسلوکی کے حالات میں بھی۔
جبکہ عمل، اوپر، پورٹیبل الیکٹرانکس میں استعمال ہونے والے چھوٹے سیل سیل کے لیے دکھایا گیا ہے، توانائی کے ذخیرہ کرنے، جگہ اور ای وی ایپلی کیشنز کے لیے بڑی صنعتی بیٹریوں کا عمل اسی عمومی خاکہ کی پیروی کرتا ہے۔
لتیم آئن بیٹری - تشکیل اور عمر بڑھنا
جیسا کہ جمع کیا جاتا ہے، لی آئنوں کو انوڈ کاربن میں ڈوپ نہیں کیا جاتا ہے اور اس لیے سیل کوئی وولٹیج نہیں دکھاتا ہے۔ ابتدائی چارجنگ کے دوران، PAM LiCoO 2 سے Li ions کے ایک حصے کو Li 1-x CoO 2 بننے کے لیے ان ڈوپ کیا جاتا ہے اور یہ لیتھیم آئنوں کو کاربن اینوڈ (C y ) میں ڈال کر Li x C y بن جاتا ہے۔ جب چارجنگ وولٹیج 4.1 سے 4.2 V تک پہنچ جائے تو x کی قدر تقریباً 0.5 ہوتی ہے۔ (یعنی، %50) جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ LiCoO 2 سے %50 استعمال ہو چکا ہے۔
ایک اور پہلو جس پر غور کیا جائے وہ یہ ہے کہ ڈوپڈ لیتھیم آئنوں کا ایک حصہ واپس نہیں آتا اور انوڈ میں رہتا ہے۔ جہاں، x-dx لیتھیم آئن صلاحیت میں حصہ ڈالے بغیر رہتے ہیں۔ یہ تقریباً 10 سے 20 فیصد ناقابل واپسی لیتھیم ہے، جس کا مطلب ہے کہ ابتدائی چارج کی کارکردگی 80 سے 90 فیصد ہے۔ دوسرے چکر سے، ناقابل واپسی رقم میں اضافہ نہیں ہوتا ہے اور سیل مینوفیکچرر کی طرف سے ڈیزائن کردہ 100% صلاحیت کو ظاہر کرتا ہے۔
دھونے اور جیکٹ لگانے کے بعد، لیکن تشکیل کے عمل کے آغاز سے پہلے، تمام خلیات کی وولٹیج اور رکاوٹ کو ریکارڈ کیا جاتا ہے تاکہ کسی بھی خراب خلیے کو چھانٹ لیا جا سکے۔ اس کے بعد خلیات کو پہلی بار چارج کیا جاتا ہے۔
(ابتدائی چارجنگ یا فارمیشن چارجنگ)۔ پہلے چارج کی شرائط کم از کم دو وجوہات کی بنا پر اہم ہیں:
1) ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) تہہ اینوڈ پر بنتی ہے تاکہ اسے سیل کے عام آپریشن کے دوران الیکٹرولائٹ کے ساتھ بے ساختہ رد عمل ظاہر کرنے سے بچایا جا سکے، اور 2) یہ فعال مواد اور الیکٹرولائٹ کے درمیان اچھا برقی رابطہ قائم کرتا ہے۔ پہلا چارج سیلز کو چارج کرنے کے لیے مینوفیکچرر کے تجویز کردہ طریقہ کار کی پیروی کرتا ہے لیکن اکثر کم کرنٹ سے شروع ہوتا ہے اور پھر چارج کی مدت کے تقریباً ایک تہائی راستے پر عام چارجنگ کرنٹ تک بڑھ جاتا ہے۔ خلیے تشکیل کے بعد ایک یا دو مزید سائیکلوں کے لیے چارج اور ڈسچارج کے لیے وولٹیج کی حد کے اندر سائیکلنگ جاری رکھ سکتے ہیں۔
تشکیل یا سائیکلنگ کے بعد، سیل وولٹیج اور صلاحیت کی پیمائش کی جاتی ہے اور سیل کے انتخاب کے عمل میں بعد میں استعمال کے لیے ذخیرہ کیا جاتا ہے۔ مینوفیکچرر کے لحاظ سے عمر بڑھنے کی مدت دو ہفتوں اور ایک ماہ کے درمیان مختلف ہوتی ہے۔ خلیوں کی وولٹیج کو ذخیرہ کرنے کے بعد دوبارہ ماپا جاتا ہے۔ سٹوریج کی مدت کے آغاز اور اختتام پر وولٹیج میں فرق کو "soft-” یا "micro-” شارٹس کے ساتھ خلیات کو ترتیب دینے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ اندرونی شارٹس والے خلیات اسٹوریج کے بعد کم وولٹیج رکھتے ہیں اور اپنے آپ کو عام وولٹیج اور صلاحیت کی تقسیم سے الگ کرتے ہیں۔ تشکیل گیسوں کو دور کرنے کے لئے تشکیل کے بعد بڑے خلیوں کو خالی کرنا ضروری ہوسکتا ہے۔
اسمبلی کے عمل کی تفصیلی وضاحت کے لیے قارئین کی طرف رجوع کیا جاتا ہے۔
- Kaoru Nakajima اور Yoshio Nishi Chapter 5 in: Energy Storage Systems for Electronics, Ed Tetsuya Osaka and Madhav Datta, Gordon and Reach Science Publishers, Amsterdam, 2000.
- Lithium-Ion Cell Production Processes, Ralph J. Brodd and Kazuo Tagawa, Chapter 9 in: Advances in Lithium-ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, pp. 273, 20202 .
- لیتھیم بیٹریاں، سائنس اور ٹیکنالوجی، ایڈ۔ GA Nazri اور G. Pistoia، Springer، New York، 2009 کے ذریعے۔
- Lithium-Ion Batteries, Reiner Korthauer (ed) (2018), Michael Wuest et.al., Springer, 2018 کا ترجمہ۔
- Kazuo Tagawa اور Ralph J. Brodd, Lithium-Ion بیٹریوں میں لتیم آئن بیٹریوں کی تیاری کے لیے پیداواری عمل, Yoshio M., Brodd RJ, Kozawa A. (eds) Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4_8]
- Zhang Z., Ramadas P. (2012) Lithium-Ion بیٹری سسٹمز اور ٹیکنالوجی۔ میں: میئرز RA (ed) انسائیکلوپیڈیا آف سسٹین ایبلٹی سائنس اینڈ ٹیکنالوجی۔ اسپرنگر، نیویارک۔ https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663
- دی ہینڈ بک آف لیتھیم آئن بیٹری پیک ڈیزائن کیمسٹری، اجزاء، اقسام اور اصطلاحات، جان وارنر، ایلسیویئر، 2018
