लिथियम आयन बैटरी में कौन से पदार्थ होते हैं?

अत्याधुनिक कैथोड सामग्री में लिथियम-मेटल ऑक्साइड शामिल हैं [जैसे LiCoO ₂ , लिमन ₂ हे ₄ , और ली (निक्समनीकोज़) ओ ₂ ], वैनेडियम ऑक्साइड, ओलिवाइन (जैसे LiFePO ₄ ), और रिचार्जेबल लिथियम ऑक्साइड। ^11,12 कोबाल्ट और निकल युक्त स्तरित आक्साइड लिथियम-आयन बैटरी के लिए सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली सामग्री हैं।वे उच्च-वोल्टेज रेंज में उच्च स्थिरता दिखाते हैं लेकिन कोबाल्ट की प्रकृति में सीमित उपलब्धता होती है और यह विषैला होता है, जो बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए एक जबरदस्त कमी है।मैंगनीज एक उच्च ताप सीमा और उत्कृष्ट दर क्षमताओं के साथ कम लागत वाले प्रतिस्थापन की पेशकश करता है लेकिन सीमित साइकिलिंग व्यवहार।इसलिए, कोबाल्ट, निकल और मैंगनीज के मिश्रण का उपयोग अक्सर सर्वोत्तम गुणों को मिलाने और कमियों को कम करने के लिए किया जाता है।वैनेडियम ऑक्साइड की एक बड़ी क्षमता और उत्कृष्ट कैनेटीक्स हैं।हालांकि, लिथियम सम्मिलन और निष्कर्षण के कारण, सामग्री असंगत हो जाती है, जो साइकिल चालन व्यवहार को सीमित करती है।ओलिवाइन गैर-विषैले होते हैं और साइकिल चलाने के कारण कम फीका होने के साथ मध्यम क्षमता रखते हैं, लेकिन उनकी चालकता कम होती है।सामग्री की कोटिंग के तरीके पेश किए गए हैं जो खराब चालकता की भरपाई करते हैं, लेकिन यह बैटरी में कुछ प्रसंस्करण लागत जोड़ता है।

एनोड सामग्री

एनोड सामग्री लिथियम, ग्रेफाइट, लिथियम-मिश्र धातु सामग्री, इंटरमेटेलिक्स या सिलिकॉन हैं। ^{1 1} लिथियम सबसे सीधी सामग्री प्रतीत होती है, लेकिन साइकलिंग व्यवहार और वृक्ष के समान वृद्धि के साथ समस्याएं दिखाती है, जो शॉर्ट सर्किट बनाती है।कम लागत और उपलब्धता के कारण कार्बोनेसियस एनोड्स सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली एनोडिक सामग्री हैं।हालांकि, लिथियम (3,862 एमएएच/जी) के चार्ज घनत्व की तुलना में सैद्धांतिक क्षमता (372 एमएएच/जी) खराब है।नई ग्रेफाइट किस्मों और कार्बन नैनोट्यूब के साथ कुछ प्रयासों ने क्षमता बढ़ाने की कोशिश की है लेकिन उच्च प्रसंस्करण लागत की कीमत के साथ आए हैं।मिश्र धातु एनोड्स और इंटरमेटेलिक यौगिकों में उच्च क्षमता होती है लेकिन नाटकीय मात्रा में परिवर्तन भी दिखाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप खराब साइकिलिंग व्यवहार होता है।नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री का उपयोग करके और मिश्र धातु चरण (Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, और अन्य के साथ) को एक गैर-स्थिर स्थिरीकरण मैट्रिक्स (Co, Cu, Fe, या के साथ) में करके मात्रा में परिवर्तन को दूर करने का प्रयास किया गया है। नी)।Si की संरचना के अनुरूप सिलिकॉन की अत्यधिक उच्च क्षमता 4,199 mAh/g है ₅ ली ₂₂ .हालाँकि, साइकिल चलाना व्यवहार खराब है, और क्षमता लुप्त होती अभी तक समझ में नहीं आई है।

इलेक्ट्रोलाइट्स

एक सुरक्षित और लंबे समय तक चलने वाली बैटरी को एक मजबूत इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता होती है जो मौजूदा वोल्टेज और उच्च तापमान का सामना कर सके और लिथियम आयनों के लिए उच्च गतिशीलता की पेशकश करते हुए लंबी शेल्फ लाइफ हो।प्रकारों में तरल, बहुलक और ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट्स शामिल हैं। ^{1 1} लिक्विड इलेक्ट्रोलाइट्स ज्यादातर ऑर्गेनिक, सॉल्वेंट-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स होते हैं जिनमें LiBC होता है ₄ हे ₈ (लीबॉब), लीपीएफ ₆ , ली [पीएफ ₃ (सी ₂ एफ ₅ ) ₃ ], या इसी के समान।सबसे महत्वपूर्ण विचार उनकी ज्वलनशीलता है;सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले सॉल्वैंट्स में क्वथनांक कम होते हैं और फ्लैश पॉइंट लगभग 30°C होते हैं।इसलिए, सेल का बाहर निकलना या विस्फोट और बाद में बैटरी एक खतरा पैदा करती है।लिथियम-आयन बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट अपघटन और अत्यधिक एक्सोथर्मिक साइड रिएक्शन "थर्मल रनवे" के रूप में जाना जाने वाला प्रभाव पैदा कर सकते हैं।इस प्रकार, इलेक्ट्रोलाइट के चयन में अक्सर ज्वलनशीलता और विद्युत रासायनिक प्रदर्शन के बीच एक व्यापार शामिल होता है।

विभाजक में अंतर्निहित थर्मल शटडाउन तंत्र हैं, और अतिरिक्त बाहरी परिष्कृत थर्मल प्रबंधन प्रणाली मॉड्यूल और बैटरी पैक में जोड़े जाते हैं।आयोनिक तरल पदार्थ उनकी थर्मल स्थिरता के कारण विचाराधीन हैं, लेकिन बड़ी कमियां हैं, जैसे कि एनोड से लिथियम का विघटन।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स आयनिक रूप से प्रवाहकीय पॉलिमर हैं।वे अक्सर सिरेमिक नैनोकणों के साथ कंपोजिट में मिश्रित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च चालकता और उच्च वोल्टेज का प्रतिरोध होता है।इसके अलावा, उनकी उच्च चिपचिपाहट और अर्ध-ठोस व्यवहार के कारण, बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स लिथियम डेन्ड्राइट्स को बढ़ने से रोक सकते हैं ¹³ और इसलिए लिथियम मेटल एनोड्स के साथ इस्तेमाल किया जा सकता है।

ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स लिथियम-आयन प्रवाहकीय क्रिस्टल और सिरेमिक ग्लास हैं।वे बहुत खराब निम्न-तापमान प्रदर्शन दिखाते हैं क्योंकि ठोस में लिथियम गतिशीलता कम तापमान पर बहुत कम हो जाती है।इसके अलावा, ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को स्वीकार्य व्यवहार प्राप्त करने के लिए विशेष जमाव की स्थिति और तापमान उपचार की आवश्यकता होती है, जिससे उन्हें उपयोग में बेहद महंगा बना दिया जाता है, हालांकि वे विभाजक की आवश्यकता को खत्म करते हैं और थर्मल भगोड़ा का जोखिम समाप्त करते हैं।

विभाजक

विभाजक सामग्री और जरूरतों की एक अच्छी समीक्षा पी. अरोड़ा और जेड झांग द्वारा प्रदान की जाती है। ¹⁴ जैसा कि इसके नाम से पता चलता है, बैटरी विभाजक दो इलेक्ट्रोड को भौतिक रूप से एक दूसरे से अलग करता है, इस प्रकार शॉर्ट सर्किट से बचा जाता है।एक तरल इलेक्ट्रोलाइट के मामले में, विभाजक एक फोम सामग्री है जो इलेक्ट्रोलाइट से भिगोती है और इसे जगह में रखती है।अत्यधिक इलेक्ट्रोकेमिकली सक्रिय वातावरण में गिरावट के लिए न्यूनतम इलेक्ट्रोलाइट प्रतिरोध, अधिकतम यांत्रिक स्थिरता और रासायनिक प्रतिरोध के साथ इसे एक इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेटर होना चाहिए।इसके अलावा, विभाजक में अक्सर एक सुरक्षा विशेषता होती है, जिसे "थर्मल शटडाउन;" कहा जाता है।ऊंचे तापमान पर, यह यांत्रिक स्थिरता खोए बिना लिथियम-आयन परिवहन को बंद करने के लिए अपने छिद्रों को पिघला देता है या बंद कर देता है।विभाजक या तो चादरों में संश्लेषित होते हैं और इलेक्ट्रोड के साथ इकट्ठे होते हैं या सीटू में एक इलेक्ट्रोड पर जमा होते हैं।लागत के लिहाज से, बाद वाला बेहतर तरीका है लेकिन कुछ अन्य संश्लेषण, हैंडलिंग और यांत्रिक समस्याएं पैदा करता है।सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स और कुछ पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स को विभाजक की आवश्यकता नहीं होती है।