ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का परिचय

 

तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के कई फायदे हैं। उदाहरण के लिए, वे चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रोड विरूपण को कम कर सकते हैं, जिससे सुरक्षा में सुधार होता है। उनमें उत्कृष्ट स्थिरता भी है, प्रक्रिया करना और विकास करना आसान हैलिथियमडेन्ड्राइट को विलायक मुक्त ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स में न्यूनतम किया जा सकता है।

ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करने वाली लिथियम आयन बैटरियां तरल इलेक्ट्रोलाइट्स से जुड़ी रिसाव की समस्याओं को रोक सकती हैं।

पॉलिमर को संसाधित करना आसान है और इसे छोटा किया जा सकता है। उनकी उच्च प्लास्टिसिटी के कारण, पॉलिमर का उपयोग पतली फिल्म बैटरी बनाने के लिए भी किया जा सकता है। विभिन्न अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करके विभिन्न बैटरी संरचनाएं बनाई जा सकती हैं। इसके अलावा, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उच्च रासायनिक, इलेक्ट्रोकेमिकल और थर्मल स्थिरता प्रदान करते हैं, इलेक्ट्रोड के साथ कम साइड रिएक्शन और व्यापक ऑपरेटिंग तापमान रेंज के साथ। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स का लचीलापन चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान इलेक्ट्रोड में वॉल्यूम परिवर्तन को बफर कर सकता है, जिससे बैटरी संरचना स्थिर हो जाती है। इसलिए, तरल आयन बैटरी के व्यावसायीकरण के बाद, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स पर आधारित लिथियम आयन बैटरी तकनीक तेजी से विकसित होगी और सफल व्यावसायीकरण प्राप्त करेगी।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स को वर्गीकृत करने के लिए कई तरीके हैं, और मानक अलग-अलग हैं। वर्तमान में, ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स को मुख्य रूप से उपयोग किए जाने वाले पॉलिमर के प्रकार के अनुसार अलग किया जाता है, जैसे कि सबसे प्रसिद्ध पॉलीथर आधारित पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड (पीईओ), साथ ही पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट (पीएमएमए) और पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन)। सामान्यतया, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स को लिथियम आयन बैटरियों में व्यावहारिक रूप से उपयोग करने के लिए निम्नलिखित शर्तों को पूरा करने की आवश्यकता होती है।

वर्तमान पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट प्रणालियों में, पॉलिमर कमरे के तापमान पर महत्वपूर्ण क्रिस्टलीयता प्रदर्शित करते हैं, जो बताता है कि कमरे के तापमान पर ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में बहुत कम क्यों है। पॉलिमर में अधिकांश क्रिस्टल गोलाकार होते हैं, जिनके बीच अनाकार क्षेत्र होते हैं। आम तौर पर यह माना जाता है कि लिथियम आयन चालन मुख्य रूप से इन अनाकार क्षेत्रों में होता है।

इसलिए, पॉलिमर की चरण संरचना को समझना लिथियम आयन चालन तंत्र का अध्ययन करने में सहायक है।

बाइनरी पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम के लिए, चरण संरचना में मुख्य रूप से दो प्रकार होते हैं: क्रिस्टलीय क्षेत्र और अनाकार क्षेत्र। क्रिस्टलीय क्षेत्रों का गठन गतिज रूप से संचालित होता है और सीधे विशिष्ट तैयारी की स्थिति और समय से संबंधित होता है। कड़ाई से कहें तो, पॉलिमर प्रणाली में क्रिस्टलीय क्षेत्रों की उपस्थिति और विभिन्न स्थितियों के साथ इन क्षेत्रों की महत्वपूर्ण भिन्नता के कारण, विभिन्न प्रकार के पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता की तुलना करना बहुत वैज्ञानिक नहीं है। हालाँकि, कुछ शर्तों के तहत, यदि क्रिस्टलीय क्षेत्रों की वृद्धि धीमी है और आयनिक चालकता में विचलन स्वीकार्य सीमा के भीतर है, तो चालकता की तुलना स्वीकार्य है। यही कारण है कि हम अक्सर विभिन्न परिणामों की तुलना करते हैं।

चूंकि पॉलिमर में स्फेरुलाइट्स की वृद्धि समय पर निर्भर है, पॉलिमर के पिघलने बिंदु से नीचे के तापमान पर आयनिक चालकता भी समय पर निर्भर है। इसके अलावा, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स की लिथियम आयन चालकता हीटिंग दर, शीतलन दर और विश्राम समय से संबंधित है। उदाहरण के लिए, लंबे विश्राम समय के परिणामस्वरूप अधिक संपूर्ण पॉलिमर क्रिस्टल संरचना और उच्च क्रिस्टलीयता प्राप्त होती है, जिससे विश्राम समय में वृद्धि के साथ आयनिक चालकता में धीरे-धीरे कमी आती है। इसी तरह, धीमी शीतलन दर के परिणामस्वरूप अधिक पूर्ण क्रिस्टलीकरण होता है, और संबंधित आयनिक चालकता भी धीरे-धीरे कम होकर न्यूनतम हो जाएगी।

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उदाहरण के तौर पर PEO और LiCIO4 के बाइनरी सॉलिड पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट को लेते हुए, इस संरचना में कई चरण संरचनाएं शामिल हैं। सबसे पहले, LiClO4 और PEO विभिन्न कॉम्प्लेक्स बना सकते हैं, जिनमें PEO6-LiCIO4, PEO3{25}}LiCIO4, PEO2-LiCIO4, और PEO-LiClO4 शामिल हैं। उनमें से, जब O:Li=10:1, PEO6-LiCIO4, 50 डिग्री के गलनांक के साथ, PEO के साथ एक यूटेक्टिक बना सकता है। इसके अलावा, जब तापमान 160 डिग्री तक बढ़ाया जाता है, तो एक बड़ा यूटेक्टिक बन सकता है। शीतलन प्रक्रिया के दौरान, बड़े यूटेक्टिक तीन अलग-अलग प्रकार के स्फेरुलाइट्स का उत्पादन करेंगे: पहला प्रकार 120 डिग्री से ऊपर पिघलता है और इसमें नमक की मात्रा अधिक होती है; दूसरा प्रकार 45 और 60 डिग्री के बीच पिघलता है, इसमें नमक की मात्रा कम होती है और यह धीरे-धीरे बनता है; तीसरे प्रकार का गलनांक मेजबान बहुलक से थोड़ा कम होता है और अधिक तेजी से बनता है। अनुसंधान और विश्लेषण से पता चलता है कि: पहले प्रकार का स्फेरुलाइट संभवतः PEO3-LiCIO4 है; दूसरा प्रकार PEO-LiCIO4 और PEO3-LiCIO4 कॉम्प्लेक्स का मिश्रण हो सकता है; और तीसरा प्रकार पीईओ से ही मेल खाता है। इसके अलावा, लिथियम नमक सामग्री और गर्मी उपचार प्रक्रिया दोनों संरचनात्मक परिवर्तन का कारण बन सकती हैं।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स उच्च आयनिक चालकता के साथ कार्यात्मक पॉलिमर सामग्रियों का एक वर्ग है, जो मैट्रिक्स के रूप में पॉलिमर का उपयोग करके पॉलिमर और धातु लवण के बीच जटिल प्रतिक्रियाओं से बनता है। पॉलिमर मैट्रिक्स के आधार पर, सामान्य पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स में पीईओ {{1} आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स, पीवीडीई {{2} आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स, पीएमएमए {{3} आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स, और अन्य शामिल हैं। अकार्बनिक ठोस अवस्था वाले इलेक्ट्रोलाइट्स के विपरीत, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स हल्के, लोचदार और स्थिर होते हैं। अकार्बनिक ठोस अवस्था वाले इलेक्ट्रोलाइट्स की तरह, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स न केवल लिथियम आयन बैटरियों में आयनों का संचालन करते हैं, बल्कि बैटरी विभाजक के रूप में भी कार्य करते हैं। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स के मुख्य रूप से निम्नलिखित फायदे हैं:

PEO के साथ विभिन्न लिथियम लवणों (LBF4, LIPF6, LiCFSO4, और LiASF6 सहित) द्वारा निर्मित कॉम्प्लेक्स मूल रूप से LiCIO4 द्वारा निर्मित कॉम्प्लेक्स के समान होते हैं, जिसका अर्थ है कि लिथियम नमक के प्रकार का PEO के साथ बनने वाले कॉम्प्लेक्स के प्रकार पर कोई सीधा प्रभाव नहीं पड़ता है। विशेष रूप से, LiBF, PEO के साथ दो कॉम्प्लेक्स बना सकता है: PEO4{7}}LIBF और PEO,S-LiBF। जब O/Li अनुपात 16 और 20 के बीच होता है, तो PEO2.5-LIBF4 PEO के साथ एक यूटेक्टिक बना सकता है। LPF6 PEO के साथ दो कॉम्प्लेक्स भी बना सकता है: PEO6-LiPF6 और PEO:-LiPF6। LiASF6 द्वारा PEO के साथ बनाए गए दो कॉम्प्लेक्स LiPF6 के समान हैं, लेकिन अपेक्षाकृत उच्च गलनांक वाले हैं। बड़े आयन लिथियम लवण भी पीईओ के साथ कॉम्प्लेक्स बना सकते हैं, लेकिन गतिकी बहुत धीमी होती है। इसके अलावा, दबाव कुछ हद तक क्रिस्टल के विकास को भी प्रभावित करता है। उच्च दबाव गोलाकार वृद्धि को बढ़ावा देता है, अनाकार क्षेत्र को कम करता है, और तदनुसार लिथियम-आयन चालकता को कम करता है।