لتیم آئن بیٹریاں اور ان کے مینوفیکچرنگ چیلنجز

لتیم آئن بیٹریاں ہیں تیار کردہ الیکٹروڈ کے سیٹ میں اور پھر خلیوں میں جمع ہوتے ہیں۔ایکٹو مواد کو پولیمر بائنڈرز، کنڈیکٹیو ایڈیٹیو، اور سالوینٹس کے ساتھ ملا کر ایک گارا بنایا جاتا ہے جسے پھر موجودہ کلیکٹر فوائل پر لیپ کیا جاتا ہے اور سالوینٹ کو ہٹانے اور ایک غیر محفوظ الیکٹروڈ کوٹنگ بنانے کے لیے خشک کیا جاتا ہے۔

کوئی واحد لتیم آئن بیٹری نہیں ہے۔مختلف قسم کے مواد اور الیکٹرو کیمیکل جوڑے دستیاب ہونے کے ساتھ، یہ ممکن ہے کہ بیٹری سیلز کو ان کی ایپلی کیشنز کے لیے مخصوص وولٹیج، چارج کے استعمال کی حالت، زندگی بھر کی ضروریات اور حفاظت کے لحاظ سے ڈیزائن کیا جائے۔مخصوص الیکٹرو کیمیکل جوڑوں کا انتخاب بھی طاقت اور توانائی کے تناسب اور دستیاب توانائی کے ڈیزائن کو آسان بناتا ہے۔

ایک بڑے فارمیٹ سیل میں انضمام کے لیے آپٹمائزڈ رول ٹو رول الیکٹروڈ مینوفیکچرنگ اور فعال مواد کے استعمال کی ضرورت ہوتی ہے۔الیکٹروڈز کو دھاتی کرنٹ کلیکٹر ورق پر ایکٹیو میٹریل، بائنڈرز، اور کنڈکٹیو ایڈیٹیو کے ایک جامع ڈھانچے میں لیپت کیا جاتا ہے، جس کے لیے کولائیڈل کیمسٹری، آسنجن، اور ٹھوس پن کے محتاط کنٹرول کی ضرورت ہوتی ہے۔لیکن شامل غیر فعال مواد اور سیل پیکیجنگ توانائی کی کثافت کو کم کرتے ہیں۔مزید یہ کہ الیکٹروڈ میں پورسٹی اور کمپیکشن کی ڈگری بیٹری کی کارکردگی کو متاثر کر سکتی ہے۔

ان مادی چیلنجوں کے علاوہ، لاگت اس ٹیکنالوجی کو وسیع پیمانے پر اپنانے میں ایک اہم رکاوٹ ہے۔کمرشل طور پر دستیاب 100 Wh/kg اور 200 Wh/L سے بیٹریاں $500/kWh تک 250 Wh/kg اور 400 Wh/L سے صرف $125/kWh میں لانے کے لیے راستے تلاش کیے جا رہے ہیں۔

لتیم آئن بیٹریوں کے بنیادی اصول

لیتھیم آئن بیٹری لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ (LiCoO) کی دریافت سے ممکن ہوئی۔ ₂ )، جو لتیم آئنوں کو نکالنے اور موجودہ آئنوں کے نصف کو ہٹانے تک (بغیر کرسٹل تبدیلی کے) بڑی مقدار میں خالی جگہوں کی تخلیق کی اجازت دیتا ہے۔LiCoO کی جوڑی ₂ گریفائٹ کے ساتھ کاربن ایٹموں کے ہر ہیکساگونل انگوٹھی کے درمیان درمیانی جگہ پر قبضہ کرنے والی گرافین تہوں کے درمیان لتیم آئنوں کے تعامل کی اجازت دیتا ہے (بیسن ہارڈ اور شولہورن 1976؛ میزوشیما ایٹ ال۔ 1980؛ وائٹنگھم 1976)۔

لیتھیم آئن چارج کے دوران مثبت الیکٹروڈ (کیتھوڈ) سے ٹھوس یا مائع الیکٹرولائٹ کے ذریعے منفی الیکٹروڈ (انوڈ) تک اور خارج ہونے کے دوران مخالف سمت میں سفر کرتے ہیں۔ہر الیکٹروڈ پر، آئن یا تو اپنا چارج برقرار رکھتا ہے اور کرسٹل ڈھانچے میں داخل ہوتا ہے جو انوڈ سائیڈ پر موجود کرسٹلز میں انٹرسٹیشل سائٹس پر قبضہ کرتا ہے یا کیتھوڈ میں ایک خالی جگہ پر دوبارہ قبضہ کر لیتا ہے جو اس وقت بنتی ہے جب لیتھیم آئن کرسٹل کو چھوڑ دیتا ہے۔آئن کی منتقلی کے دوران، میزبان میٹرکس کم ہو جاتا ہے یا آکسائڈائز ہو جاتا ہے، جو ایک الیکٹران کو چھوڑتا ہے یا پکڑتا ہے۔ ¹

کیتھوڈ مواد کی مختلف قسم

نئے کیتھوڈ مواد کی تلاش LiCoO کے اہم نقصانات کی وجہ سے کارفرما ہے۔ ₂ .بیٹری کا بنیادی درجہ حرارت 40–70°C ہے اور یہ کچھ کم درجہ حرارت کے رد عمل کے لیے حساس ہو سکتی ہے۔لیکن 105–135 °C پر یہ بہت رد عمل ہے اور حفاظتی خطرہ کے لیے ایک بہترین آکسیجن ذریعہ ہے جسے کہا جاتا ہے۔ تھرمل رن وے رد عمل ، جس میں انتہائی خارجی رد عمل درجہ حرارت میں اضافہ پیدا کرتے ہیں اور اضافی حرارت (روتھ 2000) کے اخراج کے ساتھ تیزی سے تیز ہوجاتے ہیں۔

LiCoO کے لیے متبادل مواد ₂ اس ناکامی کا کم خطرہ ہے۔مرکبات کوبالٹ کے کچھ حصوں کو نکل اور مینگنیج سے بدل کر Li(Ni _ایکس Mn _y شریک _z )O ₂ مرکبات (کے ساتھ ایکس + y + z = 1)، جسے اکثر NMC کہا جاتا ہے کیونکہ ان میں نکل، مینگنیج اور کوبالٹ ہوتے ہیں۔یا وہ فاسفیٹس کی شکل میں بالکل نئی ساخت کی نمائش کرتے ہیں (مثال کے طور پر، LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014)۔یہ تمام کیتھوڈ مواد 120–160 Ah/kg کی حد میں 3.5–3.7 V پر صلاحیتوں کی نمائش کرتے ہیں، جس کے نتیجے میں زیادہ سے زیادہ توانائی کی کثافت 600 Wh/kg تک ہوتی ہے۔

جب اصلی آلات میں پیک کیا جاتا ہے، تاہم، بہت زیادہ غیر فعال مواد شامل کیا جاتا ہے اور توانائی کی کثافت پیک کی سطح پر 100 Wh/kg تک گر جاتی ہے۔اعلی توانائی کی کثافت پر زور دینے کے لیے، محققین نے اعلیٰ صلاحیت اور زیادہ وولٹیج کی تلاش کی ہے اور انہیں لتیم اور مینگنیج سے بھرپور ٹرانزیشن میٹل آکسائیڈز میں پایا ہے۔یہ مرکبات بنیادی طور پر وہی مواد ہیں جیسے NMC لیکن لتیم کی زیادتی اور مینگنیج کی زیادہ مقدار نکل اور کوبالٹ کی جگہ لے لیتی ہے۔لیتھیم کی زیادہ مقدار (زیادہ سے زیادہ 20 فیصد زیادہ) مرکبات کو زیادہ صلاحیت (Thackeray et al. 2007) اور زیادہ وولٹیج کی اجازت دیتی ہے، جس کے نتیجے میں 4.8 V تک چارج ہونے پر کیتھوڈز 280 Ah/kg تک ہوتے ہیں۔ تاہم ، یہ نئے مرکبات استحکام کے مسائل کو ظاہر کرتے ہیں اور تیزی سے ختم ہونے کا رجحان رکھتے ہیں۔

خلیات میں مواد کا توازن

لیتھیم آئن بیٹریاں ایلومینیم اور کاپر کرنٹ کلیکٹر فوائلز پر غیر محفوظ الیکٹروڈ کی تہوں سے بنی ہیں (ڈینیل 2008)۔بیٹری کی حفاظت کو یقینی بنانے اور انوڈ (جس کے نتیجے میں لیتھیم میٹل چڑھانا اور شارٹ سرکٹنگ ہو سکتی ہے) یا کیتھوڈ کے اوور ڈسچارج (جس کے نتیجے میں کرسٹل ڈھانچہ ٹوٹ سکتا ہے) کے زیادہ چارج کے خطرے سے بچنے کے لیے ہر الیکٹروڈ جوڑے کی صلاحیت کو متوازن کرنے کی ضرورت ہے۔ اور لیتھیم کے لیے خالی جگہوں کا نقصان، جو کہ صلاحیت کو ڈرامائی طور پر کم کرتا ہے)۔

گریفائٹ کی نظریاتی صلاحیت 372 Ah/kg ہے، NMC کیتھوڈس میں دستیاب لیتھیم سے دوگنا۔لہذا متوازن لتیم آئن بیٹریوں میں، کیتھوڈس عام طور پر انوڈ کے مقابلے میں دوگنا موٹائی ظاہر کرتے ہیں۔سیل کے ڈیزائن کی یہ موروثی خامی بڑے پیمانے پر نقل و حمل اور حرکیات کے ساتھ مسائل کا باعث بنتی ہے، اور اس طرح اعلیٰ صلاحیت والے کیتھوڈس کی تلاش کا باعث بنتی ہے۔

سیل کی سطح کی توانائی کی کثافت کو بڑھانے کے لیے، بیٹری کے خلیوں میں غیر فعال مواد کو کم سے کم کیا جا رہا ہے۔مثال کے طور پر، موجودہ کلیکٹر کو کم کرنے کا ایک طریقہ الیکٹروڈ کی موٹائی کو بڑھانا ہے، لیکن یہ ٹرانسپورٹ کے مسائل کو مزید آگے بڑھاتا ہے اور الیکٹروڈ میں انتہائی انجینئرڈ پورسٹی کی ضرورت ہوتی ہے۔

لتیم آئن بیٹریوں کی تیاری میں لاگت کے چیلنجز

لتیم آئن بیٹریوں کی قیمتیں اس سے کہیں زیادہ ہیں جو آٹو موٹیو مارکیٹ میں الیکٹرک گاڑیوں کی مکمل رسائی کے لیے برداشت کرے گی اور اندرونی دہن کے انجنوں کے ذریعے چلائی جانے والی کاروں کے مقابلے لاگت سے غیر جانبدار مصنوعات۔تمام الیکٹرک گاڑیوں کی بیٹریوں کے لیے امریکی محکمہ توانائی کی لاگت کا ہدف $125/kWh قابل استعمال توانائی ہے (DOE 2013)۔تجارتی بیٹریوں کی موجودہ قیمت $400–500/kWh ہے اور موجودہ تجرباتی مواد کے ساتھ ان کی متوقع قیمت $325/kWh ہے۔اب تک لاگت میں زیادہ تر کمی توانائی کی کثافت میں اضافے سے حاصل کی گئی ہے جو پرانی نسل کی مصنوعات کی طرح قیمت پر ہے۔

مینوفیکچرنگ اسکیموں کی اصلاح کے ذریعے لاگت میں مزید کمی ممکن ہے۔لتیم آئن بیٹریاں الیکٹروڈ کے سیٹوں میں تیار کی جاتی ہیں اور پھر خلیوں میں جمع کی جاتی ہیں۔ایکٹو مواد کو پولیمر بائنڈرز، کنڈیکٹیو ایڈیٹیو، اور سالوینٹس کے ساتھ ملا کر ایک گارا بنایا جاتا ہے جسے پھر موجودہ کلیکٹر فوائل پر لیپ کیا جاتا ہے اور سالوینٹ کو ہٹانے اور ایک غیر محفوظ الیکٹروڈ کوٹنگ بنانے کے لیے خشک کیا جاتا ہے۔انتخاب کا سالوینٹ، N-methylpyrrolidone (NMP)، سمجھا جاتا ہے۔ بالواسطہ مواد (یہ پیداوار کے لیے ضروری ہے لیکن حتمی ڈیوائس میں شامل نہیں ہے)، لیکن یہ مہنگا ہے، آتش گیر بخارات کی نمائش کرتا ہے، اور انتہائی زہریلا ہے۔

NMP کے آتش گیر بخارات کو الیکٹروڈز کی تیاری کے دوران پروسیسنگ کے تمام آلات کو دھماکے کا ثبوت فراہم کرنے کی ضرورت ہوتی ہے، یعنی تمام چنگاری پیدا کرنے والے برقی اجزاء کو بخارات سے بچانے کی ضرورت ہوتی ہے اور بخارات کے ارتکاز کو کم رکھنے کے لیے خالی جگہوں کو بہت زیادہ ہوادار ہونے کی ضرورت ہوتی ہے۔ان اقدامات سے اس طرح کے آلات کی سرمایہ کاری کی لاگت میں کافی اضافہ ہوتا ہے۔

اس کے علاوہ، الیکٹروڈ مینوفیکچرنگ پلانٹ کو اس کے ایگزاسٹ اسٹریم سے سالوینٹس کو دوبارہ حاصل کرنے، اسے کشید کرنے اور اسے ری سائیکل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔یہ پھر ایک اضافی قیمت ہے۔

پانی پر مبنی پروسیسنگ کے ذریعے لاگت میں کمی

NMP کو پانی سے تبدیل کرنا لتیم آئن بیٹریوں کی پیداوار میں لاگت کو کم کرنے کا ایک زبردست موقع ہے۔پانی کی قیمت NMP کے مقابلے میں نہ ہونے کے برابر ہے۔پانی آتش گیر نہیں ہے اور آتش گیر بخارات پیدا نہیں کرتا ہے۔اور پانی ماحولیاتی طور پر سومی ہے۔تاہم، پانی ایک قطبی سالوینٹ ہے اور اس کا طرز عمل غیر قطبی NMP سے بالکل مختلف ہے۔مزید برآں، فعال مواد جمع ہوتے ہیں اور دھات کی موجودہ جمع کرنے والی سطحیں ہائیڈروفوبک ہوتی ہیں، جس سے کوٹنگ کا عمل زیادہ مشکل ہوتا ہے۔

ذرات پر سطحی چارجز کا علم (زیٹا پوٹینشل کی پیمائش کرکے) پانی کی موجودگی میں سرفیکٹینٹس کی تھوڑی مقدار کو متعارف کروا کر سطح کی قطبیت کے ڈیزائن کو قابل بناتا ہے۔کیتھوڈ انٹرکلیشن مرکبات کے معاملے میں، پولی تھیلین امائڈ کو کامیابی کے ساتھ استعمال کیا گیا ہے تاکہ ایک سطح کا چارج اتنا بڑا ہو کہ ذرات کو پیچھے ہٹایا جا سکے تاکہ وہ ناقابل قبول جمع نہ بنیں (Li et al. 2013)۔

دھاتوں کی سطحی توانائی اور سلوری کی سطحی تناؤ کے ساتھ ساتھ ان کے تعامل کو سمجھنا جوڑے کو بہتر بنانے کی اجازت دیتا ہے۔کورونا پلازما کی نمائش کے ذریعے دھات کی سطح کا وایمنڈلیی پلازما ٹریٹمنٹ سطح پر موجود نامیاتی مرکبات کو ہٹاتا ہے اور ہلکی سی اینچنگ اور آکسیڈیشن کو قابل بناتا ہے، جو ڈرامائی طور پر سطحی توانائی کو سلوری کی سطح کے تناؤ سے نیچے کی قدروں تک کم کر دیتا ہے۔یہ گندگی کے ذریعہ سطح کو مکمل طور پر گیلا کرنے کی اجازت دیتا ہے اور آپٹمائزڈ چپکنے والی کوٹنگ بناتا ہے (Li et al. 2012)۔نتیجہ الیکٹروڈ مینوفیکچرنگ میں 75 فیصد آپریشنل اور مواد کی لاگت میں کمی اور آٹوموٹو ایپلی کیشنز کے لیے بیٹری پیک کی سطح پر 20 فیصد تک ممکنہ لاگت میں کمی ہے (Wood et al. 2014)۔اس میں سازوسامان کی کم لاگت شامل نہیں ہے: پلازما پروسیسنگ آلات سے وابستہ اخراجات سالوینٹ ریکوری سسٹم اور دھماکہ پروف ضرورت سے بہت کم ہیں۔

لاگت میں کمی کے مستقبل کے مواقع

الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کے لیے نقل و حمل کے طریقہ کار اور الیکٹروڈ فن تعمیر کے مضمرات کی زیادہ معلومات کے ذریعے لاگت میں مزید کمی حاصل کی جائے گی۔موجودہ تحقیق بڑی حد تک مالیکیولر میکانزم کو سمجھنے اور الیکٹروڈز، الیکٹروڈ اسٹیک، اور بیٹری سیلز کے ڈیزائن کو بہتر بنانے کے لیے ماڈلنگ اور سمولیشن پر مرکوز ہے۔موٹے الیکٹروڈز اور غیر فعال مواد میں زبردست کمی کم قیمت پر توانائی کی کثافت کو بہتر بنائے گی، براہ راست اخراجات کو کم کرے گی، اور ممکنہ طور پر بہت مختصر اور کم توانائی والی بیٹری کی تشکیل کے قابل بنائے گی۔

نتیجہ

لیتھیم آئن بیٹریوں میں آٹوموٹیو بیڑے کی جزوی سے مکمل بجلی کو فعال کرنے، نقل و حمل کے لیے توانائی کے ذرائع کو متنوع بنانے، اور وقفے وقفے سے قابل تجدید توانائی کی سپلائی کی زیادہ رسائی کے لیے بڑے پیمانے پر توانائی ذخیرہ کرنے کی زبردست صلاحیت ہے۔تاہم، لاگت ایک مسئلہ بنی ہوئی ہے اور اسے ایک مضبوط سپلائی چین کی ترقی، مینوفیکچرنگ میں معیارات، اعلیٰ مینوفیکچرنگ تھرو پٹ، اور ہموار کم لاگت پراسیسنگ کے طریقوں سے حل کرنے کی ضرورت ہوگی۔لاگت کو کم کرنے کے علاوہ، تحقیق سالماتی عمل اور نقل و حمل کے مسائل کے علم میں اضافہ کر سکتی ہے تاکہ بیٹریوں میں دستیاب توانائی کے ڈیزائن اور استعمال کو بہتر بنایا جا سکے اور ان کی زندگی کا وقت بڑھایا جا سکے۔

جیسا کہ اس مقالے میں دکھایا گیا ہے، فعال الیکٹروڈ مواد میں توانائی کے مواد اور صلاحیت میں اضافہ اور پیداوار میں بالواسطہ مواد کی کمی لاگت کو متاثر کرنے کے دو طریقے ہیں۔

اعترافات

Oak Ridge National Laboratory (ORNL؛ UT Battelle, LLC کے زیر انتظام) امریکی محکمہ توانائی کے لیے (معاہدے DE-AC05-00OR22725 کے تحت) میں اس تحقیق کے کچھ حصے دفتر برائے توانائی کی کارکردگی اور قابل تجدید توانائی (EERE) وہیکل ٹیکنالوجیز کے ذریعے سپانسر کیے گئے تھے۔ آفس (VTO) اپلائیڈ بیٹری ریسرچ (ABR) ذیلی پروگرام (پروگرام مینیجر: پیٹر فاگوئی اور ڈیوڈ ہاویل)۔مصنف نے ORNL میں DOE بیٹری مینوفیکچرنگ R&D سہولت کے ڈیوڈ ووڈ، جیانلن لی، اور دیبایش موہنتی کے ساتھ بہت سی نتیجہ خیز بات چیت اور تعاون کو تسلیم کیا ہے اور ORNL کے میٹریل سائنس اینڈ ٹیکنالوجی ڈویژن میں بیتھ آرمسٹرانگ۔

مضمون کا ماخذ: بہار کا پل: انجینئرنگ کے فرنٹیئرز اور اس سے آگے