लिथियम आयन बैटरी और उनके निर्माण की चुनौतियाँ

लिथियम आयन बैटरी हैं निर्मित इलेक्ट्रोड के सेट में और फिर कोशिकाओं में इकट्ठे हुए।सक्रिय सामग्री को बहुलक बाइंडर्स, प्रवाहकीय योजक, और सॉल्वैंट्स के साथ मिश्रित किया जाता है ताकि एक घोल बनाया जा सके जिसे वर्तमान कलेक्टर पन्नी पर लेपित किया जाता है और विलायक को हटाने और झरझरा इलेक्ट्रोड कोटिंग बनाने के लिए सूख जाता है।

एक भी लिथियम आयन बैटरी नहीं है।विभिन्न प्रकार की सामग्री और इलेक्ट्रोकेमिकल जोड़े उपलब्ध होने के साथ, वोल्टेज, चार्ज उपयोग की स्थिति, जीवन भर की जरूरतों और सुरक्षा के संदर्भ में उनके अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट बैटरी कोशिकाओं को डिजाइन करना संभव है।विशिष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल जोड़ों का चयन भी शक्ति और ऊर्जा अनुपात और उपलब्ध ऊर्जा के डिजाइन की सुविधा प्रदान करता है।

एक बड़े प्रारूप सेल में एकीकरण के लिए अनुकूलित रोल-टू-रोल इलेक्ट्रोड निर्माण और सक्रिय सामग्रियों के उपयोग की आवश्यकता होती है।सक्रिय सामग्री, बाइंडरों और प्रवाहकीय योजकों की एक समग्र संरचना में इलेक्ट्रोड को धातु के वर्तमान कलेक्टर पन्नी पर लेपित किया जाता है, जिसके लिए कोलाइडल रसायन विज्ञान, आसंजन और ठोसकरण के सावधानीपूर्वक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।लेकिन अतिरिक्त निष्क्रिय सामग्री और सेल पैकेजिंग ऊर्जा घनत्व को कम करती है।इसके अलावा, इलेक्ट्रोड में सरंध्रता और संघनन की डिग्री बैटरी के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है।

इन सामग्रियों की चुनौतियों के अलावा, इस तकनीक को व्यापक रूप से अपनाने के लिए लागत एक महत्वपूर्ण बाधा है।व्यावसायिक रूप से उपलब्ध 100 Wh/kg और 200 Wh/L से बैटरी को $500/kWh से 250 Wh/kg और 400 Wh/L को केवल $125/kWh पर लाने के रास्ते खोजे जा रहे हैं।

लिथियम आयन बैटरी के मूल तत्व

लिथियम आयन बैटरी को लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO ₂ ), जो मौजूदा आयनों के आधे को हटाने तक लिथियम आयनों की निकासी और बड़ी मात्रा में रिक्तियों (क्रिस्टल परिवर्तन के बिना) के निर्माण की अनुमति देता है।LiCoO की जोड़ी ₂ ग्रेफाइट के साथ ग्रेफीन परतों के बीच लिथियम आयनों के अंतर्संबंध की अनुमति देता है जो कार्बन परमाणुओं के प्रत्येक हेक्सागोनल रिंग के बीच अंतरालीय साइट पर कब्जा कर लेता है (बेसेनहार्ड और शॉलहॉर्न 1976; मिज़ुशिमा एट अल। 1980; व्हिटिंगहैम 1976)।

लिथियम आयन सकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) से चार्ज के दौरान एक ठोस या तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) और, निर्वहन के दौरान, विपरीत दिशा में यात्रा करते हैं।प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर, आयन या तो अपने चार्ज को बनाए रखता है और एनोड की तरफ मौजूदा क्रिस्टल में अंतरालीय साइटों पर कब्जा कर क्रिस्टल संरचना में हस्तक्षेप करता है या कैथोड में एक खाली जगह पर कब्जा कर लेता है जो लिथियम आयन के उस क्रिस्टल को छोड़ने पर बनता है।आयन को स्थानांतरित करते समय, मेजबान मैट्रिक्स कम या ऑक्सीकृत हो जाता है, जो एक इलेक्ट्रॉन को रिलीज या कैप्चर करता है। ¹

कैथोड सामग्री की विविधता

नई कैथोड सामग्री की खोज लीकोओ के महत्वपूर्ण नुकसान से प्रेरित है ₂ .बैटरी का कोर तापमान 40–70°C होता है और यह कुछ कम तापमान वाली प्रतिक्रियाओं के प्रति संवेदनशील हो सकती है।लेकिन 105-135 डिग्री सेल्सियस पर यह बहुत प्रतिक्रियाशील है और एक सुरक्षा खतरे के लिए एक उत्कृष्ट ऑक्सीजन स्रोत है जिसे ए कहा जाता है। थर्मल भगोड़ा प्रतिक्रिया , जिसमें अत्यधिक एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाएं तापमान स्पाइक्स बनाती हैं और अतिरिक्त गर्मी (रोथ 2000) की रिहाई के साथ तेजी से बढ़ती हैं।

LiCoO के लिए प्रतिस्थापन सामग्री ₂ उस विफलता के लिए कम प्रवण हैं।यौगिक कोबाल्ट के कुछ हिस्सों को निकल और मैंगनीज के साथ ली (नी _एक्स एम.एन. _वाई सीओ _जेड ) ओ ₂ यौगिक (साथ एक्स + वाई + जेड = 1), अक्सर NMC के रूप में संदर्भित किया जाता है क्योंकि उनमें निकल, मैंगनीज और कोबाल्ट होते हैं;या वे फॉस्फेट के रूप में एक पूरी तरह से नई संरचना प्रदर्शित करते हैं (जैसे, LiFePO ₄ ) (डैनियल एट अल। 2014)।ये कैथोड सामग्री 3.5-3.7 वी पर 120–160 एएच/किलोग्राम की सीमा में क्षमता प्रदर्शित करती है, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम ऊर्जा घनत्व 600 डब्ल्यूएच/किग्रा तक होता है।

जब वास्तविक उपकरणों में पैक किया जाता है, हालांकि, बहुत अधिक निष्क्रिय सामग्री द्रव्यमान जोड़ा जाता है और पैक स्तर पर ऊर्जा घनत्व 100 Wh/kg तक गिर जाता है।उच्च ऊर्जा घनत्व के लिए धक्का देने के लिए, शोधकर्ताओं ने उच्च क्षमता और उच्च वोल्टेज की मांग की है और उन्हें लिथियम- और मैंगनीज-समृद्ध संक्रमण धातु ऑक्साइड में पाया है।ये यौगिक अनिवार्य रूप से NMC के समान सामग्री हैं लेकिन लिथियम की अधिकता और मैंगनीज की उच्च मात्रा निकल और कोबाल्ट की जगह लेती है।लिथियम की उच्च मात्रा (जितना अधिक 20 प्रतिशत अधिक) यौगिकों को उच्च क्षमता (ठाकरे एट अल। 2007) और एक उच्च वोल्टेज की अनुमति देती है, जिसके परिणामस्वरूप 4.8 वी तक चार्ज होने पर 280 आह/किग्रा तक कैथोड होता है। हालांकि , ये नए यौगिक स्थिरता की समस्या दिखाते हैं और तेजी से फीके पड़ जाते हैं।

कोशिकाओं में सामग्री का संतुलन

लिथियम आयन बैटरी एल्यूमीनियम और तांबे के वर्तमान संग्राहक फ़ॉइल (डैनियल 2008) पर झरझरा इलेक्ट्रोड की परतों से बनी होती हैं।बैटरी की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रोड जोड़ी की क्षमता को संतुलित करने की आवश्यकता होती है और एनोड के ओवरचार्ज (जिसके परिणामस्वरूप लिथियम मेटल प्लेटिंग और शॉर्ट सर्किटिंग हो सकती है) या कैथोड के ओवरडिस्चार्ज (जिसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल संरचना का पतन हो सकता है) से बचने की आवश्यकता होती है। और लिथियम को फिर से जोड़ने के लिए रिक्तियों का नुकसान, नाटकीय रूप से क्षमता को कम करना)।

ग्रेफाइट की सैद्धांतिक क्षमता 372 एएच/किग्रा है, जो एनएमसी कैथोड में उपलब्ध लिथियम से दोगुनी है।इसलिए संतुलित लिथियम आयन बैटरी में, कैथोड आमतौर पर एनोड की तुलना में दोगुनी मोटाई प्रदर्शित करते हैं।सेल डिज़ाइन का यह अंतर्निहित दोष बड़े पैमाने पर परिवहन और कैनेटीक्स के साथ समस्याओं का कारण बनता है, और इस प्रकार उच्च क्षमता वाले कैथोड की खोज को प्रेरित करता है।

सेल-स्तर ऊर्जा घनत्व बढ़ाने के लिए, बैटरी कोशिकाओं में निष्क्रिय सामग्री को कम किया जा रहा है।उदाहरण के लिए, वर्तमान संग्राहक को कम करने का एक तरीका इलेक्ट्रोड की मोटाई को बढ़ाना है, लेकिन यह आगे परिवहन समस्याओं को बढ़ाता है और इलेक्ट्रोड में अत्यधिक इंजीनियर सरंध्रता की आवश्यकता होती है।

लिथियम आयन बैटरियों के निर्माण में लागत संबंधी चुनौतियाँ

लिथियम आयन बैटरी की लागत ऑटोमोटिव बाजार की तुलना में बहुत अधिक है जो आंतरिक दहन इंजन द्वारा चलने वाली कारों की तुलना में इलेक्ट्रिक वाहनों और एक लागत-तटस्थ उत्पाद के लिए सहन करेगी।सभी इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों के लिए अमेरिकी ऊर्जा विभाग का लागत लक्ष्य $125/kWh प्रयोग करने योग्य ऊर्जा (डीओई 2013) है।वाणिज्यिक बैटरियों की वर्तमान लागत $400-500/kWh है और वर्तमान प्रायोगिक सामग्री के साथ उनकी अनुमानित लागत $325/kWh है।इस प्रकार अब तक की अधिकांश लागत में कमी पुरानी पीढ़ी के उत्पादों के समान लागत पर ऊर्जा घनत्व में वृद्धि से प्राप्त हुई है।

निर्माण योजनाओं के अनुकूलन के माध्यम से लागत में और कमी संभव है।लिथियम आयन बैटरी इलेक्ट्रोड के सेट में निर्मित होती हैं और फिर कोशिकाओं में इकट्ठी होती हैं।सक्रिय सामग्री को बहुलक बाइंडर्स, प्रवाहकीय योजक, और सॉल्वैंट्स के साथ मिश्रित किया जाता है ताकि एक घोल बनाया जा सके जिसे वर्तमान कलेक्टर पन्नी पर लेपित किया जाता है और विलायक को हटाने और झरझरा इलेक्ट्रोड कोटिंग बनाने के लिए सूख जाता है।पसंद का विलायक, N-मिथाइलपाइरोलिडोन (NMP), एक माना जाता है अप्रत्यक्ष सामग्री (यह उत्पादन के लिए आवश्यक है लेकिन अंतिम उपकरण में निहित नहीं है), लेकिन यह महंगा है, ज्वलनशील वाष्प प्रदर्शित करता है, और अत्यधिक विषैला होता है।

एनएमपी के ज्वलनशील वाष्पों को इलेक्ट्रोड के उत्पादन के दौरान सभी प्रसंस्करण उपकरणों को विस्फोट प्रूफ होने की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि सभी चिंगारी पैदा करने वाले विद्युत घटकों को वाष्पों से परिरक्षित करने की आवश्यकता होती है और वाष्प की सांद्रता को कम रखने के लिए स्थानों को अत्यधिक हवादार बनाने की आवश्यकता होती है।ये उपाय ऐसे उपकरणों की पूंजीगत लागत में काफी वृद्धि करते हैं।

इसके अलावा, इलेक्ट्रोड निर्माण संयंत्र को अपनी निकास धारा से विलायक को पुनः प्राप्त करने, इसे डिस्टिल करने और इसे रीसायकल करने की आवश्यकता होती है।यह फिर से एक अतिरिक्त लागत है।

जल आधारित प्रसंस्करण द्वारा लागत में कमी

एनएमपी को पानी से बदलना लिथियम आयन बैटरी के उत्पादन में लागत को कम करने का एक जबरदस्त अवसर है।एनएमपी की तुलना में पानी की कीमत नगण्य है;पानी ज्वलनशील नहीं है और ज्वलनशील वाष्प उत्पन्न नहीं करता है;और पानी पर्यावरण के अनुकूल है।हालाँकि, पानी एक ध्रुवीय विलायक है और इसका व्यवहार गैर-ध्रुवीय एनएमपी से पूरी तरह अलग है।इसके अलावा, सक्रिय सामग्रियां ढेर हो जाती हैं और धातु की वर्तमान संग्राहक सतहें हाइड्रोफोबिक होती हैं, जिससे कोटिंग प्रक्रिया और अधिक कठिन हो जाती है।

कणों पर सतह के आवेशों का ज्ञान (जीटा क्षमता को मापकर) पानी की उपस्थिति में सर्फेक्टेंट की थोड़ी मात्रा को पेश करके सतह के ध्रुवीकरण के डिजाइन को सक्षम बनाता है।कैथोड इंटरकलेशन यौगिकों के मामले में, पॉलीइथाइलीन इमाइड का उपयोग कणों को पीछे हटाने के लिए पर्याप्त रूप से बड़े सतह आवेश को पेश करने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है ताकि वे अस्वीकार्य समूह (ली एट अल। 2013) न बनाएं।

धातुओं की सतह ऊर्जा और घोल के सतही तनाव को समझने के साथ-साथ उनकी बातचीत जोड़ी के अनुकूलन की अनुमति देती है।कोरोना प्लाज्मा के संपर्क में आने से धातु की सतह का वायुमंडलीय प्लाज्मा उपचार सतह पर कार्बनिक यौगिकों को हटा देता है और एक मामूली नक़्क़ाशी और ऑक्सीकरण को सक्षम बनाता है, जो घोल के सतह तनाव के नीचे सतह ऊर्जा को नाटकीय रूप से कम कर देता है।यह घोल द्वारा सतह को सही गीला करने की अनुमति देता है और अनुकूलित आसंजन (ली एट अल। 2012) के साथ एक कोटिंग बनाता है।परिणाम इलेक्ट्रोड निर्माण में 75 प्रतिशत परिचालन और सामग्री लागत में कमी और ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के लिए बैटरी पैक स्तर पर 20 प्रतिशत तक की संभावित लागत में कमी है (वुड एट अल। 2014)।इसमें कम उपकरण लागत शामिल नहीं है: प्लाज्मा प्रसंस्करण उपकरण से जुड़े खर्च सॉल्वेंट रिकवरी सिस्टम और विस्फोट प्रूफ आवश्यकता की तुलना में बहुत कम हैं।

लागत में कमी के लिए भविष्य के अवसर

आगे की लागत में कटौती परिवहन तंत्र के अधिक ज्ञान और विद्युत रासायनिक प्रदर्शन के लिए इलेक्ट्रोड वास्तुकला के निहितार्थ के माध्यम से प्राप्त की जाएगी।वर्तमान शोध काफी हद तक आणविक तंत्र को समझने और इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोड ढेर और बैटरी कोशिकाओं के डिजाइन में सुधार करने के लिए मॉडलिंग और सिमुलेशन पर केंद्रित है।मोटा इलेक्ट्रोड और निष्क्रिय सामग्री में जबरदस्त कमी कम लागत पर ऊर्जा घनत्व में सुधार करेगी, प्रत्यक्ष लागत कम करेगी, और संभवतः बहुत कम और कम ऊर्जा गहन बैटरी निर्माण चक्र को सक्षम करेगी।

निष्कर्ष

ऑटोमोटिव बेड़े के आंशिक से पूर्ण विद्युतीकरण को सक्षम करने, परिवहन के लिए ऊर्जा स्रोतों में विविधता लाने और आंतरायिक नवीकरणीय ऊर्जा आपूर्ति के उच्च प्रवेश के लिए बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण का समर्थन करने के लिए लिथियम आयन बैटरी की जबरदस्त क्षमता है।हालांकि, लागत एक मुद्दा बना हुआ है और इसे एक मजबूत आपूर्ति श्रृंखला के विकास, विनिर्माण में मानकों, उच्च विनिर्माण थ्रूपुट, और सुव्यवस्थित कम लागत वाली प्रसंस्करण विधियों द्वारा संबोधित करने की आवश्यकता होगी।लागत कम करने के अलावा, अनुसंधान बैटरी में उपलब्ध ऊर्जा के डिजाइन और उपयोग को अनुकूलित करने और उनके जीवन काल को बढ़ाने के लिए आणविक प्रक्रियाओं और परिवहन मुद्दों के ज्ञान को बढ़ा सकता है।

जैसा कि इस पत्र में दिखाया गया है, सक्रिय इलेक्ट्रोड सामग्री में ऊर्जा सामग्री और क्षमता में वृद्धि और उत्पादन में अप्रत्यक्ष सामग्री की कमी लागत को प्रभावित करने के दो तरीके हैं।

स्वीकृतियाँ

अमेरिकी ऊर्जा विभाग (अनुबंध DE-AC05-00OR22725 के तहत) के लिए ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी (ORNL; UT बैटल, LLC द्वारा प्रबंधित) में इस शोध के कुछ हिस्सों को ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा (EERE) वाहन प्रौद्योगिकियों के कार्यालय द्वारा प्रायोजित किया गया था। ऑफिस (वीटीओ) एप्लाइड बैटरी रिसर्च (एबीआर) सबप्रोग्राम (प्रोग्राम मैनेजर: पीटर फाग्यू और डेविड हॉवेल)।लेखक ओआरएनएल में डीओई बैटरी मैन्युफैक्चरिंग आरएंडडी फैसिलिटी के डेविड वुड, जियानलिन ली और देबाशीष मोहंती और ओआरएनएल के मैटेरियल्स साइंस एंड टेक्नोलॉजी डिवीजन में बेथ आर्मस्ट्रांग के साथ कई उपयोगी चर्चाओं और योगदानों को स्वीकार करता है।

लेख स्रोत：स्प्रिंग ब्रिज： इंजीनियरिंग और उससे आगे के फ्रंटियर्स से