- लिथियम आयन बैटरी:
- चारग
- एसईआई गठन:
- एसईआई का महत्व और प्रभाव
- एसईआई के कार्यात्मक गुण
- एसईआई का नियंत्रण
इन दिनों इलेक्ट्रिक वाहनों, पावर बैकअप, मोबाइल, लैपटॉप, स्मार्टवॉच, और अन्य पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक सामानों आदि में उनके व्यापक अनुप्रयोग के कारण लिथियम-आयन बैटरी अधिक ध्यान आकर्षित कर रही हैं, लिथियम की बैटरी पर बहुत अधिक शोध हो रहा है, जिसकी बढ़ती मांग है। बेहतर प्रदर्शन के लिए इलेक्ट्रिक वाहन। लिथियम बैटरी के प्रदर्शन और जीवनकाल को कम करने वाला एक महत्वपूर्ण पैरामीटर एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) का विकास है ,यह एक ठोस परत है जो लिथियम बैटरी के अंदर बनती है क्योंकि हम इसका उपयोग करना शुरू करते हैं। इस ठोस परत का गठन इलेक्ट्रोलाइट के बीच के मार्ग को अवरुद्ध करता है और बैटरी के प्रदर्शन को काफी प्रभावित करता है। इस लेख में, हम इस सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (एसईआई), इसके गुणों, इसके रूपों के बारे में अधिक जानेंगे और लिथियम बैटरी के प्रदर्शन और जीवनकाल को बढ़ाने के लिए इसे नियंत्रित करने के तरीके पर भी चर्चा करेंगे । ध्यान दें कि कुछ लोगों ने सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस को सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरपेज़ (एसईआई) भी कहा है , दोनों शब्दों का इस्तेमाल समग्र रूप से शोध पत्रों में किया जाता है और इसलिए यह तर्क करना कठिन है कि कौन सा सही शब्द है। इस लेख के लिए, हम ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस से चिपके रहेंगे।
लिथियम आयन बैटरी:
इससे पहले कि हम एसईआई में गहरी डुबकी लगाते हैं, चलो ली-आयन कोशिकाओं की मूल बातें पर थोड़ा संशोधन करते हैं ताकि हम अवधारणा को बेहतर ढंग से समझ सकें। यदि आप इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए पूरी तरह से नए हैं, तो यह जांच करें कि आप आगे बढ़ने से पहले ईवी बैटरी को समझने के लिए इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी लेख के बारे में जानना चाहते हैं।
लिथियम-आयन बैटरी एनोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड), कैथोड (सकारात्मक इलेक्ट्रोड), इलेक्ट्रोलाइट और विभाजक से बनी होती हैं ।
एनोड: ग्रेफाइट, कार्बन ब्लैक, लिथियम टाइटानेट (एलटीओ), सिलिकॉन और ग्रेफीन सबसे पसंदीदा एनोड सामग्री में से कुछ हैं। सबसे अधिक ग्रेफाइट, एनोड के रूप में इस्तेमाल किए जाने वाले तांबे की पन्नी पर लेपित। ग्रेफाइट की भूमिका लिथियम आयनों के लिए भंडारण माध्यम के रूप में कार्य करना है। मुक्त लिथियम आयनों के प्रतिवर्ती अंतरण को आसानी से ग्रेफाइट बंधुआ स्तरित संरचना के कारण ग्रेफाइट में किया जा सकता है।
कैथोड: प्योर लीथियम जिसके बाहरी आवरण पर एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन होता है, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और अस्थिर होता है, जिससे कि स्थिर लिथियम धातु ऑक्साइड, जिसे कैथोड के रूप में इस्तेमाल होने वाले एल्यूमीनियम पन्नी पर लेपित किया जाता है। लीथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड ("NMC", LiNixMnyCozO2), लिथियम निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड ("NCA", LiNiCoAlive2), लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड ("LMO", LiMn2O4), लिथियम आयरन फॉस्फेट (लिथियम आयरन फॉस्फेट)), लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2, "LCO") का उपयोग कैथोड के रूप में किया जाता है।
इलेक्ट्रोलाइट: नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच इलेक्ट्रोलाइट एक अच्छा आयनिक कंडक्टर और एक इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेटर होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि इसे लिथियम आयनों को अनुमति देना होगा और चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान इसके माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को ब्लॉक करना होगा। इलेक्ट्रोलाइट कार्बनिक कार्बोनेट सॉल्वैंट्स का मिश्रण है जैसे कि एथिलीन कार्बोनेट या डायथाइल कार्बोनेट और ली-आयन लवण जैसे कि लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट (LiPF6), लिथियम पेरोक्लोरेट (LiCl4), लिथियम हेक्साफ्लुओरसेनेट मोनोहाइड्रेट (LiAsF6), लिथियम ट्राइफलेट (लीफलेट)। टेट्रफ्लुओरोबोरेट (LiBF4)।
विभाजक: इलेक्ट्रोलाइट में विभाजक एक महत्वपूर्ण घटक है। यह चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान कैथोड से एनोड और इसके विपरीत लिथियम आयनों को अनुमति देते समय उनके बीच शॉर्ट सर्किट से बचने के लिए एनोड और कैथोड के बीच एक इन्सुलेट परत के रूप में कार्य करता है। लिथियम आयन बैटरी में ज्यादातर पॉलीओलफिन को विभाजक के रूप में उपयोग किया जाता है।
चारग
चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान जब हम बैटरी के पार एक शक्ति स्रोत को जोड़ते हैं, तो लिथियम परमाणु, सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर लिथियम आयन और इलेक्ट्रॉन देता है। ये ली-आयन इलेक्ट्रोलाइट से गुजरते हैं और नकारात्मक इलेक्ट्रोड में जमा हो जाते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट से गुजरते हैं। डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान जब हम बैटरी में बाहरी भार को जोड़ते हैं, तो नकारात्मक इलेक्ट्रोड में संग्रहित अस्थिर ली-आयन धनात्मक इलेक्ट्रोड पर धातु ऑक्साइड में वापस जाते हैं और लोड के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का प्रसार करते हैं। यहां एल्यूमीनियम और तांबे के फोड़े वर्तमान कलेक्टरों के रूप में कार्य करते हैं।
एसईआई गठन:
ली-आयन बैटरी में, पहली बार चार्ज करने के लिए, सकारात्मक इलेक्ट्रोड द्वारा दी गई लिथियम-आयन की मात्रा पहले डिस्चार्जिंग के बाद कैथोड में वापस यात्रा की गई लिथियम आयनों की संख्या से कम है । यह एसईआई (ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस) के गठन के कारण है। पहले कुछ चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के लिए, जब इलेक्ट्रोलाइट इलेक्ट्रोड के संपर्क में आता है, एक इलेक्ट्रोलाइट में सॉल्वैंट्स जो चार्ज करने के दौरान लिथियम आयनों के साथ इलेक्ट्रोड के साथ प्रतिक्रिया करता है और विघटित होने लगता है। इस अपघटन के परिणामस्वरूप LiF, Li 2 O, LiCl, Li 2 CO 3 यौगिक बनते हैं। ये घटक इलेक्ट्रोड पर चलते हैं और कुछ नैनोमीटर मोटी परतों का निर्माण करते हैं जिन्हें सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (SEI) कहा जाता है । यह निष्क्रिय परत इलेक्ट्रोड को जंग से और इलेक्ट्रोलाइट की अधिक खपत से बचाता है, एसईआई का गठन दो चरणों में होता है।
एसईआई गठन के चरण:
लिथियम आयनों को एनोड में शामिल करने से पहले एसईआई गठन का पहला चरण होता है। इस स्तर पर, अस्थिर और अत्यधिक प्रतिरोधक एसईआई परत रूपों। एसईआई परत के गठन का दूसरा चरण एक साथ एनोड पर लिथियम आयनों के जुड़ाव के साथ होता है। परिणामी एसईआई फिल्म झरझरा, कॉम्पैक्ट, विषम है, जो इलेक्ट्रॉन आयनों के लिए इन्सुलेट और लिथियम आयनों के लिए प्रवाहकीय है। एक बार एसईआई परत के गठन के बाद, यह इलेक्ट्रोलाइट आंदोलन को निष्क्रिय परत के माध्यम से इलेक्ट्रोड तक ले जाता है। ताकि यह इलेक्ट्रोलाइट और लिथियम आयनों, इलेक्ट्रॉनों के बीच इलेक्ट्रोड पर आगे की प्रतिक्रिया को नियंत्रित करता है और इस तरह से एसईआई विकास को प्रतिबंधित करता है।
एसईआई का महत्व और प्रभाव
इलेक्ट्रोलाइट में एसईआई परत सबसे महत्वपूर्ण और कम समझ वाला घटक है। हालांकि एसईआई परत की खोज आकस्मिक है, लेकिन एक प्रभावी एसईआई परत लंबे जीवन, अच्छी साइकिलिंग क्षमता, उच्च प्रदर्शन, सुरक्षा और बैटरी की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण है। एसईआई परत का गठन बेहतर प्रदर्शन के लिए बैटरी के डिजाइन में महत्वपूर्ण विचारों में से एक है । अच्छी तरह से इलेक्ट्रोड पर सेई का पालन इलेक्ट्रोलाइट की आगे की खपत को रोककर अच्छी साइकिलिंग क्षमता रखता है। पोरोसिटी की उचित ट्यूनिंग और एसईआई परत की मोटाई इसके माध्यम से लिथियम आयन चालकता में सुधार करती है, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी संचालन में सुधार होता है।
एसईआई परत के अपरिवर्तनीय गठन के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट और लिथियम आयनों की एक निश्चित मात्रा स्थायी रूप से खपत होती है। इस प्रकार एसईआई के गठन के दौरान लिथियम आयनों की खपत से क्षमता का स्थायी नुकसान होता है । कई बार चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के साथ एसईआई वृद्धि होगी, जो बैटरी प्रतिबाधा, तापमान वृद्धि और खराब बिजली घनत्व में वृद्धि का कारण बनता है।
एसईआई के कार्यात्मक गुण
एसईआई एक बैटरी में अपरिहार्य है। हालाँकि, एसईआई के प्रभाव को कम किया जा सकता है यदि परत का गठन निम्न का पालन करता है
- इसे इलेक्ट्रोलाइट के साथ इलेक्ट्रॉनों के सीधे संपर्क को अवरुद्ध करना पड़ता है क्योंकि इलेक्ट्रोड से इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रोलाइट के बीच संपर्क इलेक्ट्रोलाइट की गिरावट और कमी का कारण बनता है।
- यह एक अच्छा आयनिक कंडक्टर होना चाहिए । इसे इलेक्ट्रोलाइट से लिथियम आयनों को इलेक्ट्रोड में प्रवाहित करने की अनुमति देनी चाहिए
- इसे रासायनिक रूप से स्थिर होना चाहिए अर्थात यह इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया नहीं कर सकता है और इसे इलेक्ट्रोलाइट में अघुलनशील होना चाहिए
- इसे यंत्रवत् स्थिर होना चाहिए जिसका अर्थ है कि चक्र को चार्ज और डिस्चार्ज करने के दौरान विस्तार और संकुचन के तनाव को सहन करने की उच्च शक्ति होनी चाहिए।
- इसे विभिन्न ऑपरेटिंग तापमान और क्षमता पर स्थिरता बनाए रखना है
- इसकी मोटाई कुछ नैनोमीटर के करीब होनी चाहिए
एसईआई का नियंत्रण
सेल के बेहतर प्रदर्शन और सुरक्षित संचालन के लिए एसईआई का स्थिरीकरण और नियंत्रण महत्वपूर्ण है। एएलडी (परमाणु परत जमाव) और MLD (आणविक परत बयान) इलेक्ट्रोड पर कोटिंग्स SEI विकास को नियंत्रित करते हैं।
इलेक्ट्रोड नियंत्रण पर लेपित 9.9 eV के बैंडगैप के साथ अल 2 ओ 3 (एएलडी कोटिंग) और इसकी धीमी इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण दर के कारण एसईआई विकास को स्थिर करता है। यह इलेक्ट्रोलाइट अपघटन और ली-आयन की खपत को कम करेगा। उसी तरह एल्युमिनियम एल्कोऑक्साइड, MLD कोटिंग्स में से एक SEI लेयर बिल्ड-अप को नियंत्रित करता है। ये ALD और MLD कोटिंग्स क्षमता के नुकसान को कम करते हैं, कूपलॉम्बिक दक्षता में सुधार करते हैं।