◆मिश्र धातु-प्रकार एनोड सामग्री
के चार्जिंग प्रक्रिया मेंलिथियम-आयन बैटरी, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री लिथियम आयन आरू इलेक्ट्रॉन क॑ ले जाय म॑ महत्वपूर्ण भूमिका निभाबै छै, आरू ऊर्जा भंडारण आरू रिलीज लेली आवश्यक छै । लागत कें दृष्टिकोण सं, इ सामग्री कुल बैटरी निर्माण लागत कें 5% सं 15% कें हिस्सा छै आ लिथियम-आयन बैटरी उत्पादन कें लेल अनिवार्य प्रमुख कच्चा माल मे सं एक मानल जायत छै. सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के तरह, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री लिथियम-आयन बैटरी प्रौद्योगिकी के उन्नति क॑ बढ़ावा दै म॑ अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाबै छै । हाल के वर्षो म॑, बेहतर बैटरी प्रदर्शन केरऽ बढ़तऽ मांग के साथ-विशेष रूप स॑, उच्च ऊर्जा घनत्व, बिजली घनत्व, आरू बेहतर चक्र स्थिरता आरू सुरक्षा केरऽ खोज-शोधकर्ता न॑ नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री प॑ बहुत ध्यान देल॑ छै, जे लिथियम-आयन केरऽ मूल घटकऽ म॑ स॑ एक छै
बैटरी। एक आदर्श नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री मे निम्नलिखित विशेषता होबाक चाही:
(1) हल्का, विशिष्ट क्षमता कें अनुकूलित करय कें लेल यथासंभव ली कें समायोजित करय वाला.
(2) लिथियम आयन सम्मिलन आरू निष्कर्षण प्रतिक्रिया के लेलऽ कम रेडॉक्स संभावना, जे बैटरी केरऽ अधिक आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करै म॑ मदद करै छै ।
(3) नीक इलेक्ट्रॉनिक आ आयनिक चालकता।
(4) इलेक्ट्रोलाइट विलायक में अघुलनशील आ लिथियम लवण के साथ प्रतिक्रिया नै करै छै । (5) चार्जिंग आ डिस्चार्जिंग के बाद उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता, उच्च सुरक्षा प्रदर्शन आ चक्र जीवन, आ कम स्व-डिस्चार्ज दर.
(6) सस्ता, प्रचुर संसाधन, आ पर्यावरण के अनुकूल।
एनोड सामग्री क॑ ओकरऽ रासायनिक संरचना के आधार प॑ दू मुख्य श्रेणी म॑ बाँटलऽ जाब॑ सकै छै: कार्बन-आधारित सामग्री आरू गैर-कार्बन-आधारित सामग्री । कार्बन-आधारित सामग्री क॑ आरू ग्रेफाइटिक कार्बन सामग्री आरू अनाकार कार्बन सामग्री म॑ उपविभाजित करलऽ जाब॑ सकै छै । गैर-कार्बन-आधारित सामग्री मे सिलिकॉन-आधारित, टाइटेनियम-आधारित, आ विभिन्न धातु ऑक्साइड शामिल अछि । वर्तमान म॑ बाजार म॑ व्यापक रूप स॑ प्रयोग करलऽ जाय वाला एनोड सामग्री म॑ मुख्य रूप स॑ तीन प्रकार शामिल छै: कार्बन-आधारित सामग्री, लिथियम टाइटेनेट (LiTisOi2), आरू सिलिकॉन क॑ शामिल करलऽ गेलऽ कार्बन कंपोजिट सामग्री । कार्बन-आधारित सामग्री क॑ आरू ग्रेफाइट (प्राकृतिक आरू कृत्रिम ग्रेफाइट), सॉफ्ट कार्बन, आरू हार्ड कार्बन म॑ विभाजित करलऽ जाब॑ सकै छै । एहि श्रेणी मे कृत्रिम ग्रेफाइट क बाजार मे सबस बेसी हिस्सेदारी अछि ।
इंटरकैलेटेड एनोड सामग्री
कार्बन सामग्री
लिथियम-आयन बैटरी के विकास म॑ एनोड के रूप म॑ धातु लिथियम के जगह प॑ कार्बन-आधारित सामग्री के उपयोग के नवीनता ई तकनीक म॑ एगो बड़ऽ सफलता के निशानी छै । आइ धरि, कोनो अन्य प्रकारक एनोड सामग्री ओकर लागत-प्रभावशीलता आ प्रदर्शनक बराबरी नहि क' सकैत अछि; अतः, ई अपेक्षा करलऽ जाय छै कि कार्बन-आधारित सामग्री काफी अवधि तलक बड़ऽ-पैमाना प॑ व्यावसायिक अनुप्रयोगऽ लेली प्राथमिक विकल्प बनलऽ रहतै । ग्रेफाइटीकरण केरऽ डिग्री के आधार प॑ एनोड के रूप म॑ प्रयोग करलऽ जाय वाला कार्बन-आधारित सामग्री क॑ तीन श्रेणी म॑ वर्गीकृत करलऽ जाब॑ सकै छै: ग्रेफाइट, सॉफ्ट कार्बन, आरू हार्ड कार्बन । गैर-ग्रेफाइट कार्बन सामग्री सब उच्च-तापमान प्रसंस्करण के दौरान ग्रेफाइट में परिवर्तित होय के प्रवृत्ति प्रदर्शित करै छै; तथापि, किछु पदार्थ एहि परिवर्तनक बेसी प्रवण होइत अछि आ एकरा नरम कार्बनक रूप मे परिभाषित कयल गेल अछि ; जबकि जेकरा ई प्रक्रिया पूरा करना मुश्किल छै ओकरा हार्ड कार्बन कहलऽ जाय छै । आमतौर पर, सॉफ्ट कार्बन कच्चा माल जेना कोयला टार या पेट्रोलियम पिच सं प्राप्त कैल जा सकय छै; एकरऽ विपरीत, हार्ड कार्बन अधिकतर फिनोलिक राल या सुक्रोज जैसनऽ घटकऽ स॑ संश्लेषित होय छै । वर्तमान में सॉफ्ट कार्बन के क्षेत्र में सबस॑ बेसी अध्ययन करलऽ जाय वाला विषयऽ म॑ स॑ एक छै मेसोफेज कार्बन माइक्रोस्फीयर । लिथियम-आयन बैटरी म॑ नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप म॑ प्रयोग करला प॑ ग्रेफाइट आरू गैर-ग्राफिटिक कार्बन सामग्री दूनू के अपनऽ फायदा आरू नुकसान छै । एकरऽ आधार प॑ शोधकर्ता अक्सर ई कार्बन सामग्री केरऽ सतह क॑ संशोधित आरू बदलै लेली विभिन्न उप-खंडऽ के उपयोग करै छै ताकि ओकरऽ प्रदर्शन म॑ सुधार होय सक॑ ।
ग्रेफाइट, एक स्तरित सामग्री के रूप म॑ (चित्र 5-8), एक आंतरिक संरचना छै जेकरा म॑ परमाणु केरऽ षट्कोणीय ढाँचा शामिल छै जे sp2 संकर अवस्था म॑ व्यवस्थित छै, जे दू आयाम म॑ फैललऽ छै । प्रत्येक परत के भीतर कार्बन परमाणु 0.142 एनएम के कार्बन-कार्बन परमाणु दूरी आरू 345 किलोजेल/मोल के बंधन ऊर्जा के साथ एक मजबूत षट्कोणीय ग्रिड संरचना बनाबै छै, जे अत्यंत मजबूत स्थिरता प्रदर्शित करै छै. एकरऽ विपरीत, अलग-अलग परतऽ के बीच कार्बन परमाणु कमजोर वैन डेर वाल्स बलऽ स॑ जुड़लऽ छै, जेकरऽ अंतःक्रिया ऊर्जा केवल १६.७ किलोजेल/मोल छै, जे ०.३३५४ एनएम के मापलऽ गेलऽ इंटरप्लेनर अंतराल के अनुरूप छै । लिथियम आयन ग्रेफाइट केरऽ छह कार्बन परतऽ के बीच रिवर्सिबल सम्मिलन आरू निष्कर्षण स॑ गुजरी सकै छै, जेकरा स॑ लिथियम क॑ भंडारण लेली LiC6 यौगिक बनी जाय छै । एहि प्रक्रियाक दौरान, अंतरपरतक अंतराल मे काफी बदलाव होइत छैक; LiC6 के लेलऽ ई मान 0.37 एनएम होय जाय छै, जेकरा स॑ सैद्धांतिक अधिकतम विशिष्ट क्षमता 372 mA·h/g प्राप्त होय जाय छै । एकरऽ अलावा ग्रेफाइट केरऽ उत्कृष्ट चालकता सामग्री के भीतर तेजी स॑ इलेक्ट्रॉन प्रवासन के सुविधा दै छै । लेकिन जब॑ एकरऽ उपयोग नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप म॑ करलऽ जाय छै त॑ ग्रेफाइट कुछ खामी भी पेश करै छै: एकरऽ अपेक्षाकृत कम लिथियम सम्मिलन/निष्कर्षण वोल्टेज पठार के कारण चार्जिंग या डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम डेंड्राइट्स के बढ़ोत्तरी होय सकै छै । एक बेर इ डेंड्राइट्स बैटरी विभाजक मे घुस गेलाक कें बाद, इ आंतरिक शार्ट सर्किट पैदा कयर सकय छै, जे संभावित रूप सं आगि या विस्फोट तइक कें कारण भ सकय छै, जे बैटरी कें सुरक्षा कें लेल खतरा पैदा कयर सकय छै.
चित्र 5-8 ग्रेफाइट स्तरित संरचना का योजनाबद्ध आरेख |
ग्रेफाइट क॑ मुख्य रूप स॑ दू श्रेणी म॑ विभाजित करलऽ गेलऽ छै : प्राकृतिक ग्रेफाइट आरू कृत्रिम ग्रेफाइट । प्राकृतिक ग्रेफाइट, जेकरा संक्षिप्त रूप स॑ एनजी (प्राकृतिक ग्रेफाइट) कहलऽ जाय छै, प्रकृति स॑ निकाललऽ गेलऽ आरू सरल प्रसंस्करण के माध्यम स॑ प्राप्त उच्च-कार्बन सामग्री क॑ संदर्भित करै छै । एकरऽ स्तरित क्रिस्टल संरचना केरऽ दू अलग-अलग आकृति विज्ञान छै: षट्कोणीय आरू विषमकोण । इ सामग्री न केवल भंडार मे प्रचुर मात्रा मे छै, बल्कि लागत मे सेहो कम आ पर्यावरण कें अनुकूल छै. लेकिन लिथियम-आयन बैटरी अनुप्रयोगऽ म॑ सतह गतिविधि केरऽ असमान वितरण आरू प्राकृतिक ग्रेफाइट पाउडर कणऽ केरऽ बड़ऽ दाना आकार के कारण, चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के दौरान एकरऽ सतह क्रिस्टल संरचना आसानी स॑ क्षतिग्रस्त होय जाय छै, जेकरा स॑ असमान एसईआई फिल्म कवरेज होय जाय छै आरू बैटरी केरऽ प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता आरू दर प्रदर्शन क॑ प्रभावित होय जाय छै । ई चुनौतियऽ स॑ उबर॑ लेली शोधकर्ता न॑ प्राकृतिक ग्रेफाइट केरऽ गुणऽ म॑ सुधार लेली विभिन्न तकनीक विकसित करलकै, जेना कि गोलाकारीकरण, ऑक्सीकरण सतह उपचार, फ्लोरीनेशन, आरू सतह कार्बन कोटिंग, जेकरऽ उद्देश्य एकरऽ सतह के विशेषता आरू सूक्ष्म संरचना क॑ अनुकूलित करना छै ।
कृत्रिम ग्रेफाइट के उत्पादन आसानी स॑ ग्रेफाइट करलऽ जाय वाला कार्बन सामग्री केरऽ उच्च-तापमान वाला ग्रेफाइटीकरण स॑ करलऽ जाब॑ सकै छै । ई प्रकार के सामग्री के व्यापक रूप स॑ उपयोग लिथियम-आयन बैटरी म॑ एनोड सामग्री के रूप म॑ करलऽ जाय छै । प्राकृतिक ग्रेफाइट के तुलना म॑ कृत्रिम ग्रेफाइट लंबा चक्र जीवन, उच्च-तापमान भंडारण क्षमता, आरू उच्च-दर प्रदर्शन के संदर्भ म॑ महत्वपूर्ण फायदा प्रदर्शित करै छै, जेकरा स॑ ई चीन म॑ नयका ऊर्जा वाहनऽ म॑ इस्तेमाल करलऽ जाय वाला लिथियम-आयन बैटरी लेली पसंदीदा एनोड सामग्री म॑ स॑ एक छै । अपनऽ बड़ऽ विशिष्ट क्षमता आरू अपेक्षाकृत कम लागत के कारण, कृत्रिम ग्रेफाइट केरऽ व्यापक रूप स॑ उपयोग पावर बैटरी आरू मध्य- स॑-उच्च-अंत उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादऽ म॑ भी करलऽ जाय छै । आंकड़ा बताबै छै कि 2021 म॑ कृत्रिम ग्रेफाइट केरऽ हिस्सा सब एनोड सामग्री केरऽ शिपमेंट म॑ 84% छेलै ।
गैर-ग्रेफाइट कार्बन सामग्री मुख्य रूप स॑ दू श्रेणी म॑ विभाजित छै: हार्ड कार्बन आरू सॉफ्ट कार्बन । हार्ड कार्बन एक प्रकार के कार्बन सामग्री क॑ कहलऽ जाय छै जेकरा अत्यंत उच्च तापमान (२८०० डिग्री स॑ ऊपर) प॑ भी ग्रेफाइट संरचना म॑ बदलना मुश्किल छै । ई सामग्री आमतौर पर कुछ बहुलकऽ के पायरोलाइजिंग करी क॑ प्राप्त करलऽ जाय छै । विशेष रूप स॑, हार्ड कार्बन केरऽ आम स्रोतऽ म॑ विभिन्न राल कार्बन (जैना कि फिनोलिक रेजिन, पॉलीफुरफुरिल अल्कोहल राल पीएफए-सी, आरू इपोक्सी रेजिन), विशिष्ट बहुलक (जैना कि पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए), पॉलीविनाइलडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ), आरू पॉलीएक्रीलोनिट्राइल (पीएन), आरू एसिटिलीन ब्लैक जैसनऽ कार्बन ब्लैक उत्पाद) के पायरोलिसिस स॑ बनलऽ कार्बन शामिल छै । तैयारी प्रक्रिया के दौरान, कठोर कार्बन के अंदर बड़ी संख्या म॑ जाली दोष बन॑ छै, जेकरा स॑ लिथियम आयन न सिर्फ कार्बन परतऽ के बीच इंटरकैलेट होय जाय छै बल्कि ई दोष क्षेत्रऽ क॑ भी भर॑ सकै छै, जेकरा स॑ ई सामग्री स॑ बनलऽ एनोड क॑ उच्च विशिष्ट क्षमता (350 आरू 500 mA·b/g के बीच) मिलै छै, जे समग्र क्षमता म॑ सुधार लेली बहुत फायदेमंद छै लिथियम-आयन बैटरी। लेकिन उपरोक्त जाली दोष के कारण भी प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता कम होय जाय छै आरू चक्र के स्थिरता खराब होय जाय छै जब॑ हार्ड कार्बन क॑ एनोड सामग्री के रूप म॑ प्रयोग करलऽ जाय छै । आज तलक ई समस्या के कारण हार्ड कार्बन के व्यापक रूप स॑ उपयोग व्यावसायिक रूप स॑ उत्पादित लिथियम-आयन बैटरी म॑ नै करलऽ गेलऽ छै, आरू एकरऽ उपयोग बड़ऽ पैमाना प॑ करलऽ जाय स॑ पहल॑ अखनी भी कुछ बाधा छै ।
नरम कार्बन अनाकार कार्बन सामग्री क॑ संदर्भित करै छै जे उच्च-तापमान केरऽ परिस्थिति (2800 डिग्री स॑ ऊपर) म॑ आसानी स॑ ग्रेफाइट होय जाय छै । एहि सामग्री मे पिच, सुई कोक, पेट्रोलियम कोक, आ कार्बन फाइबर शामिल अछि । सॉफ्ट कार्बन म॑ ग्रेफाइटीकरण केरऽ कम स्तर के कारण एकरऽ संरचना म॑ अनेक दोष होय छै, जेकरा स॑ एकरा रिवर्सिबल रूप स॑ अधिक लिथियम आयन क॑ समायोजित करै के अनुमति मिलै छै; एकरऽ साथ ही, बड़ऽ इंटरलेयर स्पेसिंग इलेक्ट्रोलाइट केरऽ पैठ क॑ बढ़ावा दै छै । अतः ई विशेषता के आधार प॑ सॉफ्ट कार्बन सामग्री प्रारंभिक निर्वहन के दौरान उच्च क्षमता प्रदर्शित करै छै । लेकिन ठीक एकरऽ संरचनात्मक अस्थिरता के कारण एकरऽ अपरिवर्तनीय क्षमता भी अपेक्षाकृत अधिक छै । एकरऽ अलावा, नरम कार्बन केरऽ आंतरिक संरचना के अनियमितता के कारण लिथियम-आयन सक्रिय स्थलऽ के ऊर्जा वितरण म॑ बदलाव होय छै, जेकरऽ परिणामस्वरूप चार्ज आरू डिस्चार्ज के दौरान परिभाषित वोल्टेज पठार के कमी होय जाय छै, जे एकरऽ व्यावहारिक अनुप्रयोग क॑ सीमित करी दै छै ।
टाइटेनियम डाइऑक्साइड
टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) लिथियम-आयन बैटरी लेली नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप म॑ बहुत संभावना दिखाबै छै, जेकरऽ कारण छै कि ई न सिर्फ बड़ऽ-पैमाना प॑ उत्पादन आरू कम लागत के लेलऽ व्यवहार्यता छै, बल्कि ई लेली भी कि ई 1.5V (Li/Li के सापेक्ष) के ऑपरेटिंग वोल्टेज प॑ उत्कृष्ट सुरक्षा आरू स्थिरता प्रदर्शित करै छै । एकरऽ अलावा, TiO2 म॑ उल्लेखनीय गुणऽ के एक श्रृंखला छै: उच्च विद्युत रासायनिक गतिविधि, मजबूत ऑक्सीकरण शक्ति, अच्छा रासायनिक स्थिरता, प्रचुर प्राकृतिक संसाधन, आरू विविध क्रिस्टल संरचना ।
ई फायदा सामूहिक रूप स॑ TiO2 क॑ लिथियम-आयन बैटरी (विशेष रूप स॑ हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन के क्षेत्र म॑) लेली आदर्श नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री विकल्पऽ म॑ स॑ एक बनाबै छै ।
सैद्धांतिक रूप स॑ TiO2 केरऽ हर इकाई द्रव्यमान एक लिथियम आयन क॑ संग्रहीत करी सकै छै, जे 330 mA·h/g के क्षमता के अनुरूप छै, जे LiTiO2 केरऽ सैद्धांतिक क्षमता स॑ लगभग दू गुना छै । लेकिन व्यवहार म॑ ई देखलऽ गेलऽ छै कि ई सैद्धांतिक अधिकतम लिथियम भंडारण क्षमता प्राप्त करना काफी मुश्किल छै । टाइटेनियम डाइऑक्साइड म॑ लिथियम आयन केरऽ सम्मिलन आरू निष्कर्षण दक्षता क॑ बहुत सारा कारक प्रभावित करै छै, जेकरा म॑ सामग्री केरऽ स्फटिकीयता, कणऽ के आकार, आंतरिक संरचनात्मक विशेषता, आरू विशिष्ट सतह क्षेत्रफल शामिल छै, लेकिन ई तक सीमित नै छै । ध्यान देबऽ के बात छै कि TiO2 विभिन्न क्रिस्टलीय चरणऽ म॑ मौजूद छै, जेकरा म॑ सबसें जादा जानलऽ जाय वाला छै चतुर्भुज क्रिस्टल प्रणाली म॑ रुटाइल आरू एनाटेज प्रकार, आरू ऑर्थोरॉम्बिक क्रिस्टल प्रणाली म॑ ब्रुकाइट प्रकार ।