लिथियम-आयन बैटरी एनोड सामग्री

लिथियम-आयन बैटरी के लिए प्रमुख सामग्रियों में से एक के रूप में, एनोड सामग्रियों को कई शर्तों को पूरा करने की आवश्यकता होती है।

• लिथियम-आयन बैटरियों के उच्च आउटपुट वोल्टेज को संतुष्ट करने के लिए Li इंटरकैलेषन और डीइंटरकैलेषन अभिक्रिया में कम रेडॉक्स क्षमता होती है।
• लिथियम अंतर्संयोजन और विअंतरसंयोजन की प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रोड विभव में थोड़ा परिवर्तन होता है, जो बैटरी के लिए स्थिर प्रचालन वोल्टेज प्राप्त करने में लाभदायक होता है।
• लिथियम-आयन बैटरियों के उच्च ऊर्जा घनत्व को पूरा करने के लिए बड़ी प्रतिवर्ती क्षमता।
• ली डिइंटरकैलेश्न प्रक्रिया के दौरान अच्छी संरचनात्मक स्थिरता, जिससे बैटरी का चक्र जीवन लंबा होता है।
• पर्यावरण के अनुकूल, विनिर्माण और बैटरी निपटान में कोई पर्यावरण प्रदूषण या विषाक्तता नहीं होती है।
• तैयारी की प्रक्रिया सरल है और लागत कम है, संसाधन प्रचुर हैं और प्राप्त करना आसान है, आदि।

तकनीकी प्रगति और औद्योगिक उन्नयन के साथ, एनोड सामग्रियों के प्रकार भी बढ़ रहे हैं, और नई सामग्रियों की लगातार खोज की जा रही है।

एनोड सामग्री के प्रकारों को कार्बन और गैर-कार्बन में विभाजित किया जा सकता है। कार्बन में प्राकृतिक ग्रेफाइट, कृत्रिम ग्रेफाइट, मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फीयर, हार्ड कार्बन, सॉफ्ट कार्बन आदि शामिल हैं। गैर-कार्बन श्रेणियों में सिलिकॉन-आधारित सामग्री, टाइटेनियम-आधारित सामग्री, टिन-आधारित सामग्री, लिथियम धातु आदि शामिल हैं।

1. प्राकृतिक ग्रेफाइट

प्राकृतिक ग्रेफाइट को मुख्य रूप से फ्लेक ग्रेफाइट और माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट में विभाजित किया जाता है। फ्लेक ग्रेफाइट में उच्च प्रतिवर्ती विशिष्ट क्षमता और प्रथम-चक्र कूलम्बिक दक्षता प्रदर्शित होती है, लेकिन इसकी चक्र स्थिरता थोड़ी खराब होती है। माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट में चक्र स्थिरता और दर प्रदर्शन अच्छा होता है, लेकिन पहले सप्ताह में इसकी कूलम्बिक दक्षता कम होती है। दोनों ग्रेफाइट को फास्ट चार्जिंग के दौरान लिथियम वर्षा की समस्या का सामना करना पड़ता है।

फ्लेक ग्रेफाइट के लिए, कोटिंग, कंपाउंडिंग और अन्य तरीकों का उपयोग मुख्य रूप से फॉस्फोरस फ्लेक ग्रेफाइट की चक्र स्थिरता और प्रतिवर्ती क्षमता को बेहतर बनाने के लिए किया जाता है। कम तापमान फॉस्फोरस फ्लेक ग्रेफाइट में Li+ को धीरे-धीरे फैलाता है, जिसके परिणामस्वरूप फॉस्फोरस फ्लेक ग्रेफाइट की प्रतिवर्ती क्षमता कम होती है। छिद्र निर्माण इसके कम तापमान लिथियम भंडारण प्रदर्शन में सुधार कर सकता है।

माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट की खराब क्रिस्टलीयता इसकी क्षमता को फ्लेक ग्रेफाइट की तुलना में कम बनाती है। कंपाउंडिंग और कोटिंग सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले संशोधन तरीके हैं। ली शिनलू और अन्य ने माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट की सतह को फेनोलिक रेजिन थर्मली क्रैक्ड कार्बन के साथ लेपित किया, जिससे माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट की कूलम्बिक दक्षता {{0}}.2% से बढ़कर 89.9% हो गई। 0.1C के वर्तमान घनत्व पर, 30 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद इसकी डिस्चार्ज विशिष्ट क्षमता कम नहीं होती है। सन वाईएल एट अल ने सामग्री की प्रतिवर्ती क्षमता को ~800 mAh g-1 तक बढ़ाने के लिए माइक्रोक्रिस्टलाइन ग्रेफाइट की परतों के बीच FeCl3 को अंतःस्थापित किया।

2. कृत्रिम ग्रेफाइट

कृत्रिम ग्रेफाइट को पेट्रोलियम कोक, नीडल कोक और पिच कोक जैसे कच्चे माल से कुचलने, दाने बनाने, वर्गीकरण और उच्च तापमान वाले ग्रेफाइटाइजेशन प्रसंस्करण के माध्यम से बनाया जाता है। कृत्रिम ग्रेफाइट में चक्र प्रदर्शन, दर प्रदर्शन और इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ संगतता में लाभ हैं, लेकिन इसकी क्षमता आम तौर पर प्राकृतिक ग्रेफाइट से कम होती है, इसलिए इसका मूल्य निर्धारित करने वाला मुख्य कारक क्षमता है।

कृत्रिम ग्रेफाइट की संशोधन विधि प्राकृतिक ग्रेफाइट से भिन्न है। आम तौर पर, ग्रेफाइट अनाज अभिविन्यास (OI मान) को कम करने का उद्देश्य कण संरचना के पुनर्गठन के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। आम तौर पर, 8 से 10 माइक्रोन व्यास वाले एक सुई कोक अग्रदूत का चयन किया जाता है, और आसानी से ग्रेफाइटाइज़ करने योग्य सामग्री जैसे पिच को बाइंडर के कार्बन स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है, और ड्रम भट्टी में संसाधित किया जाता है। कई सुई कोक कणों को 14 से 18 माइक्रोन तक के कण आकार D50 के साथ द्वितीयक कणों को बनाने के लिए बंधुआ किया जाता है, और फिर ग्रेफाइटीकरण पूरा हो जाता है, जिससे सामग्री का OI मान प्रभावी रूप से कम हो जाता है।

3. मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फीयर

जब डामर यौगिकों को ऊष्मा उपचारित किया जाता है, तो छोटे अनिसोट्रोपिक मेसोफ़ेज़ गोले बनाने के लिए एक थर्मल पॉलीकंडेंसेशन प्रतिक्रिया होती है। डामर मैट्रिक्स से मेसोफ़ेज़ मोतियों को अलग करके बनाए गए माइक्रोन आकार के गोलाकार कार्बन पदार्थ को मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फीयर कहा जाता है। व्यास आमतौर पर 1 से 100 माइक्रोन के बीच होता है। वाणिज्यिक मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फीयर का व्यास आमतौर पर 5 से 40 माइक्रोन के बीच होता है। गेंद की सतह चिकनी होती है और इसमें उच्च संघनन घनत्व होता है।

मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फीयर के लाभ:

(1) गोलाकार कण उच्च घनत्व वाले स्टैक्ड इलेक्ट्रोड कोटिंग्स के निर्माण के लिए अनुकूल होते हैं, और इनका विशिष्ट सतह क्षेत्र छोटा होता है, जो साइड रिएक्शन को कम करने के लिए अनुकूल होता है।

(2) गेंद के अंदर कार्बन परमाणु परत को रेडियल रूप से व्यवस्थित किया जाता है, ली + इंटरकैलेरेशन और डीइंटरकैलेरेशन के लिए आसान है, और बड़े वर्तमान चार्ज और डिस्चार्ज प्रदर्शन अच्छा है।

हालांकि, मेसोकार्बन माइक्रोस्फीयर के किनारों पर Li+ के बार-बार इंटरकैलेशन और डीइंटरकैलेशन से कार्बन परत के छीलने और विरूपण की संभावना आसानी से हो सकती है, जिससे क्षमता फीकी पड़ सकती है। सतह कोटिंग प्रक्रिया छीलने की घटना को प्रभावी ढंग से रोक सकती है। वर्तमान में, मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फीयर पर अधिकांश शोध सतह संशोधन, अन्य सामग्रियों के साथ संयोजन, सतह कोटिंग आदि पर केंद्रित है।

4. नरम कार्बन और कठोर कार्बन

सॉफ्ट कार्बन आसानी से ग्रेफाइटाइज़ करने योग्य कार्बन है, जो अनाकार कार्बन को संदर्भित करता है जिसे 2500 डिग्री से ऊपर के उच्च तापमान पर ग्रेफाइटाइज़ किया जा सकता है। सॉफ्ट कार्बन में कम क्रिस्टलीयता, छोटे दाने का आकार, बड़े इंटरप्लेनर स्पेसिंग, इलेक्ट्रोलाइट के साथ अच्छी संगतता और अच्छी दर प्रदर्शन होता है। सॉफ्ट कार्बन में पहले चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान उच्च अपरिवर्तनीय क्षमता होती है, कम आउटपुट वोल्टेज होता है, और कोई स्पष्ट चार्ज और डिस्चार्ज प्लेटफ़ॉर्म नहीं होता है। इसलिए, इसे आम तौर पर एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में स्वतंत्र रूप से उपयोग नहीं किया जाता है, लेकिन आमतौर पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के कोटिंग या घटक के रूप में उपयोग किया जाता है।

हार्ड कार्बन वह कार्बन है जिसे ग्रेफाइटाइज़ करना मुश्किल होता है और आमतौर पर पॉलिमर सामग्रियों के थर्मल क्रैकिंग द्वारा निर्मित होता है। आम हार्ड कार्बन में रेजिन कार्बन, ऑर्गेनिक पॉलीमर पायरोलिटिक कार्बन, कार्बन ब्लैक, बायोमास कार्बन आदि शामिल हैं। इस प्रकार की कार्बन सामग्री में एक छिद्रपूर्ण संरचना होती है, और वर्तमान में यह माना जाता है कि यह मुख्य रूप से माइक्रोपोर और सतही सोखना/विशोषण में Li+ प्रतिवर्ती सोखना/विशोषण के माध्यम से लिथियम को संग्रहीत करता है।

कठोर कार्बन की प्रतिवर्ती विशिष्ट क्षमता 300 ~ 500mAhg-1 तक पहुँच सकती है, लेकिन औसत रेडॉक्स वोल्टेज ~ 1Vvs.Li+/Li जितना अधिक है, और कोई स्पष्ट वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म नहीं है। हालाँकि, कठोर कार्बन में एक उच्च प्रारंभिक अपरिवर्तनीय क्षमता, लैगिंग वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म, कम संघनन घनत्व और आसान गैस उत्पादन होता है, जो इसकी कमियाँ भी हैं जिन्हें नज़रअंदाज़ नहीं किया जा सकता है। हाल के वर्षों में अनुसंधान मुख्य रूप से विभिन्न कार्बन स्रोतों के चयन, नियंत्रण प्रक्रियाओं, उच्च क्षमता वाली सामग्रियों के साथ मिश्रण और कोटिंग पर केंद्रित रहा है।

5. सिलिकॉन आधारित सामग्री

हालांकि ग्रेफाइट एनोड सामग्री में उच्च चालकता और स्थिरता के फायदे हैं, लेकिन ऊर्जा घनत्व में उनका विकास उनकी सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता (372mAh/g) के करीब है। सिलिकॉन को सबसे आशाजनक एनोड सामग्रियों में से एक माना जाता है, जिसकी सैद्धांतिक ग्राम क्षमता 4200mAh/g तक है, जो ग्रेफाइट सामग्रियों की तुलना में 10 गुना अधिक है। साथ ही, Si की लिथियम सम्मिलन क्षमता कार्बन सामग्रियों की तुलना में अधिक है, इसलिए चार्जिंग के दौरान लिथियम अवक्षेपण का जोखिम छोटा और सुरक्षित है। हालांकि, सिलिकॉन एनोड सामग्री इंटरकैलेशन और डीइंटरकैलेशन लिथियम की प्रक्रिया के दौरान लगभग 300% की मात्रा विस्तार से गुजरेगी, जो सिलिकॉन एनोड के औद्योगिक अनुप्रयोग को बहुत सीमित करती है।

सिलिकॉन-आधारित एनोड सामग्री मुख्य रूप से दो श्रेणियों में विभाजित हैं: सिलिकॉन-कार्बन एनोड सामग्री और सिलिकॉन-ऑक्सीजन एनोड सामग्री। वर्तमान मुख्यधारा की दिशा मैट्रिक्स के रूप में ग्रेफाइट का उपयोग करना है, एक समग्र सामग्री बनाने के लिए नैनो-सिलिकॉन या SiOx के 5% से 10% द्रव्यमान अंश को शामिल करना, और कण मात्रा परिवर्तनों को दबाने और चक्र स्थिरता में सुधार करने के लिए इसे कार्बन के साथ कोट करना है।

नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों की विशिष्ट क्षमता में सुधार ऊर्जा घनत्व बढ़ाने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। वर्तमान में, मुख्यधारा का अनुप्रयोग ग्रेफाइट-आधारित सामग्री है, जिसकी विशिष्ट क्षमता इसकी सैद्धांतिक क्षमता ऊपरी सीमा (372mAh / g) से अधिक हो गई है। उसी परिवार की सिलिकॉन सामग्री में उच्चतम सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता (4200mAh / g तक) है, जो ग्रेफाइट से 10 गुना अधिक है। यह महान अनुप्रयोग संभावनाओं के साथ लिथियम बैटरी एनोड सामग्री में से एक है।

वर्तमान में, सिलिकॉन-आधारित एनोड तकनीकें जिन्हें औद्योगिक रूप से विकसित किया जा सकता है, मुख्य रूप से दो श्रेणियों में विभाजित हैं। एक है सिलिका, जिसे मुख्य रूप से तीन पीढ़ियों में विभाजित किया जाता है: पहली पीढ़ी का सिलिका (सिलिकॉन ऑक्साइड), दूसरी पीढ़ी का प्री-मैग्नीशियम सिलिका और तीसरी पीढ़ी का प्री-लिथियम सिलिका। दूसरा है सिलिकॉन कार्बन, जिसे मुख्य रूप से दो पीढ़ियों में विभाजित किया जाता है: पहली पीढ़ी ग्रेफाइट के साथ मिश्रित रेत-ग्राउंड नैनो सिलिकॉन है। पीढ़ी 2: झरझरा कार्बन पर नैनो-सिलिका जमा करने की CVD विधि।

6.लिथियम टाइटेनेट

लिथियम टाइटेनेट (LTO) धातु लिथियम और कम क्षमता वाले संक्रमण धातु टाइटेनियम से बना एक मिश्रित ऑक्साइड है। यह AB2X4 श्रृंखला के स्पिनल प्रकार के ठोस समाधान से संबंधित है। लिथियम टाइटेनेट की सैद्धांतिक ग्राम क्षमता 175mAh/g है, और वास्तविक ग्राम क्षमता 160mAh/g से अधिक है। यह वर्तमान में औद्योगिकीकृत एनोड सामग्रियों में से एक है। 1996 में लिथियम टाइटेनेट की रिपोर्ट किए जाने के बाद से, अकादमिक हलकों में इसके शोध को लेकर उत्साह रहा है। औद्योगीकरण की सबसे शुरुआती रिपोर्ट 2008 में तोशिबा द्वारा जारी 4.2Ah लिथियम टाइटेनेट एनोड पावर बैटरी से पता लगाई जा सकती है, जिसमें 2.4V का नाममात्र वोल्टेज और 67.2Whkg-1 (131.6WhL-1) का ऊर्जा घनत्व है।

फ़ायदा:

(1) शून्य तनाव, लिथियम टाइटेनेट यूनिट सेल पैरामीटर a=0.836nm, चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान लिथियम आयनों के इंटरकैलेरेशन और डीइंटरकैलेरेशन का इसके क्रिस्टल संरचना पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान सामग्री के विस्तार और संकुचन के कारण होने वाले संरचनात्मक परिवर्तनों से बचा जाता है। नतीजतन, इसमें बेहद उच्च विद्युत रासायनिक स्थिरता और चक्र जीवन है।

(2) लिथियम अवक्षेपण का कोई जोखिम नहीं है। लिथियम टाइटेनेट की लिथियम क्षमता 1.55V जितनी अधिक है। पहली बार चार्ज करने पर कोई SEI फिल्म नहीं बनती है। इसमें पहली बार उच्च दक्षता, अच्छी थर्मल स्थिरता, कम इंटरफ़ेस प्रतिबाधा और उत्कृष्ट कम तापमान चार्जिंग प्रदर्शन है। इसे -40 डिग्री पर चार्ज किया जा सकता है।

(3) एक त्रि-आयामी तेज आयन कंडक्टर। लिथियम टाइटेनेट में एक त्रि-आयामी स्पिनल संरचना होती है। लिथियम सम्मिलन के लिए स्थान ग्रेफाइट परतों के बीच की दूरी से बहुत बड़ा है। आयनिक चालकता ग्रेफाइट सामग्री की तुलना में परिमाण का एक क्रम अधिक है। यह विशेष रूप से उच्च दर चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के लिए उपयुक्त है। हालांकि, इसकी विशिष्ट क्षमता और विशिष्ट ऊर्जा घनत्व कम है, और चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया इलेक्ट्रोलाइट को विघटित और फूला हुआ बना देगी।

वर्तमान में, लिथियम टाइटेनेट की वाणिज्यिक मात्रा अभी भी बहुत छोटी है, और ग्रेफाइट पर इसके फायदे स्पष्ट नहीं हैं। लिथियम टाइटेनेट की पेट फूलने की घटना को दबाने के लिए, बड़ी संख्या में रिपोर्ट अभी भी सतह कोटिंग संशोधन पर केंद्रित हैं।

7. धातु लिथियम

धातु लिथियम एनोड सबसे पहले अध्ययन किया गया लिथियम बैटरी एनोड है। हालाँकि, इसकी जटिलता के कारण, पिछले शोध की प्रगति धीमी रही है। प्रौद्योगिकी की उन्नति के साथ, धातु लिथियम एनोड पर शोध में भी सुधार हो रहा है। धातु लिथियम एनोड की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 3860mAhg-1 है और सुपरनेगेटिव इलेक्ट्रोड क्षमता -3.04V है। यह अत्यधिक उच्च ऊर्जा घनत्व वाला एनोड है। हालाँकि, लिथियम की उच्च प्रतिक्रियाशीलता और चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान असमान जमाव और विशोषण प्रक्रिया चक्र के दौरान चूर्णीकरण और लिथियम डेंड्राइट वृद्धि का कारण बनती है, जिससे बैटरी के प्रदर्शन में तेजी से गिरावट आती है।

धातु लिथियम की समस्या के जवाब में, शोधकर्ताओं ने लिथियम एनोड में डेन्ड्राइट के विकास को रोकने के लिए इसकी सुरक्षा और चक्र जीवन को बेहतर बनाने के तरीकों को अपनाया है, जिसमें कृत्रिम ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस फिल्मों (एसईआई फिल्मों) का निर्माण, लिथियम एनोड संरचनात्मक डिजाइन, इलेक्ट्रोलाइट संशोधन और अन्य तरीके शामिल हैं।

8. टिन आधारित सामग्री

टिन-आधारित सामग्रियों की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता बहुत अधिक है, और शुद्ध टिन की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 994mAh/g तक पहुँच सकती है। हालाँकि, इंटरकैलेशन और डीइंटरकैलेशन लिथियम की प्रक्रिया के दौरान टिन धातु की मात्रा बदल जाएगी, जिसके परिणामस्वरूप 300% से अधिक का वॉल्यूम विस्तार होगा। इस वॉल्यूम विस्तार के कारण होने वाली सामग्री विकृति बैटरी के अंदर एक बड़ी प्रतिबाधा पैदा करेगी, जिससे बैटरी चक्र का प्रदर्शन खराब हो जाएगा और विशिष्ट क्षमता बहुत तेज़ी से कम हो जाएगी। आम टिन-आधारित नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों में धातु टिन, टिन-आधारित मिश्र धातु, टिन-आधारित ऑक्साइड और टिन-कार्बन मिश्रित सामग्री शामिल हैं।