लिथियम-आयन बैटरी एनोड सामग्री

◆मिश्र धातु-प्रकार की एनोड सामग्री

◆रूपांतरण-प्रकार की एनोड सामग्री

◆लिथियम धातु एनोड सामग्री

की चार्जिंग प्रक्रिया मेंलिथियम-आयन बैटरियांनकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री लिथियम आयनों और इलेक्ट्रॉनों को ले जाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, और ऊर्जा भंडारण और रिलीज के लिए आवश्यक है। लागत के नजरिए से, ये सामग्रियां कुल बैटरी निर्माण लागत का 5% से 15% हिस्सा बनाती हैं और लिथियम आयन बैटरी उत्पादन के लिए अपरिहार्य प्रमुख कच्चे माल में से एक मानी जाती हैं। सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की तरह, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री लिथियम आयन बैटरी प्रौद्योगिकी की प्रगति को बढ़ावा देने में अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। हाल के वर्षों में, बेहतर बैटरी प्रदर्शन की बढ़ती मांग के साथ, विशेष रूप से, उच्च ऊर्जा घनत्व, बिजली घनत्व, और बेहतर चक्र स्थिरता और सुरक्षा की खोज में, शोधकर्ताओं ने नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री पर बहुत ध्यान दिया है, जो लिथियम आयन के मुख्य घटकों में से एक है।

बैटरियां. एक आदर्श नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री में निम्नलिखित विशेषताएं होनी चाहिए:

(1) हल्का वजन, विशिष्ट क्षमता को अनुकूलित करने के लिए जितना संभव हो उतना ली को समायोजित करना।

(2) लिथियम आयन सम्मिलन और निष्कर्षण प्रतिक्रियाओं के लिए कम रेडॉक्स क्षमता, जो उच्च बैटरी आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करने में मदद करती है।

(3) अच्छी इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक चालकता।

(4) इलेक्ट्रोलाइट सॉल्वैंट्स में अघुलनशील और लिथियम लवण के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है। (5) चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के बाद उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता, उच्च सुरक्षा प्रदर्शन और चक्र जीवन, और कम स्व-निर्वहन दर।

(6) सस्ता, प्रचुर संसाधन और पर्यावरण के अनुकूल।

एनोड सामग्रियों को उनकी रासायनिक संरचना के आधार पर दो मुख्य श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: कार्बन {{0} आधारित सामग्री और गैर {{1} कार्बन - आधारित सामग्री। कार्बन आधारित सामग्री को आगे ग्रेफाइटिक कार्बन सामग्री और अनाकार कार्बन सामग्री में विभाजित किया जा सकता है। गैर {{6}कार्बन-आधारित सामग्रियों में सिलिकॉन-आधारित, टाइटेनियम-आधारित, और विभिन्न धातु ऑक्साइड शामिल हैं। वर्तमान में, बाजार में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एनोड सामग्री में मुख्य रूप से तीन प्रकार शामिल हैं: कार्बन आधारित सामग्री, लिथियम टाइटेनेट (LiTisOi2), और सिलिकॉन को शामिल करने वाली कार्बन मिश्रित सामग्री। कार्बन आधारित सामग्री को आगे ग्रेफाइट (प्राकृतिक और कृत्रिम ग्रेफाइट), नरम कार्बन और कठोर कार्बन में विभाजित किया जा सकता है। इन श्रेणियों में कृत्रिम ग्रेफाइट का बाजार में सबसे बड़ा हिस्सा है।

अंतर्संबंधित एनोड सामग्री

कार्बन सामग्री

लिथियम आयन बैटरियों के विकास में, एनोड के रूप में धातु लिथियम को प्रतिस्थापित करने के लिए कार्बन आधारित सामग्रियों का उपयोग करने का नवाचार इस तकनीक में एक बड़ी सफलता का प्रतीक है। आज तक, कोई भी अन्य प्रकार की एनोड सामग्री इसकी लागत-प्रभावशीलता और प्रदर्शन से मेल नहीं खा सकती है; इसलिए, यह उम्मीद की जाती है कि कार्बन आधारित सामग्री काफी समय तक बड़े पैमाने पर व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए प्राथमिक पसंद बनी रहेगी। ग्रेफाइटाइजेशन की डिग्री के आधार पर, एनोड के रूप में उपयोग की जाने वाली कार्बन आधारित सामग्री को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: ग्रेफाइट, सॉफ्ट कार्बन और हार्ड कार्बन। सभी गैर-ग्रेफाइट कार्बन सामग्री उच्च तापमान प्रसंस्करण के दौरान ग्रेफाइट में परिवर्तित होने की प्रवृत्ति प्रदर्शित करती हैं; हालाँकि, कुछ पदार्थ इस परिवर्तन के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं और उन्हें नरम कार्बन के रूप में परिभाषित किया जाता है; जबकि जिनकी प्रक्रिया को पूरा करना कठिन होता है उन्हें हार्ड कार्बन कहा जाता है। आमतौर पर, नरम कार्बन कच्चे माल जैसे कोयला टार या पेट्रोलियम पिच से प्राप्त किया जा सकता है; इसके विपरीत, कठोर कार्बन को ज्यादातर फेनोलिक रेजिन या सुक्रोज जैसे घटकों से संश्लेषित किया जाता है। वर्तमान में, सॉफ्ट कार्बन के क्षेत्र में सबसे अधिक अध्ययन किए जाने वाले विषयों में से एक मेसोफ़ेज़ कार्बन माइक्रोस्फेयर है। जब लिथियम आयन बैटरियों में नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग किया जाता है, तो ग्रेफाइटिक और गैर-ग्रेफाइटिक कार्बन सामग्री दोनों के अपने फायदे और नुकसान होते हैं। इसके आधार पर, शोधकर्ता अक्सर अपने प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए इन कार्बन सामग्रियों की सतह को संशोधित और परिवर्तित करने के लिए विभिन्न उप-खंडों का उपयोग करते हैं।

ग्रेफाइट, एक स्तरित पदार्थ के रूप में (चित्र 5-8), एक आंतरिक संरचना है जिसमें एक sp2 संकर अवस्था में व्यवस्थित परमाणुओं का एक हेक्सागोनल ढांचा होता है, जो दो आयामों में विस्तारित होता है। प्रत्येक परत के भीतर, कार्बन परमाणु 0.142 एनएम की कार्बन-कार्बन परमाणु दूरी और 345 kJ/mol की बंधन ऊर्जा के साथ एक मजबूत हेक्सागोनल ग्रिड संरचना बनाते हैं, जो बेहद मजबूत स्थिरता प्रदर्शित करता है। इसके विपरीत, विभिन्न परतों के बीच कार्बन परमाणु कमजोर वैन डेर वाल्स बलों द्वारा जुड़े होते हैं, जिनकी अंतःक्रिया ऊर्जा केवल 16.7 kJ/mol है, जो 0.3354 एनएम की मापी गई अंतरप्लानर दूरी के अनुरूप है। लिथियम आयन ग्रेफाइट की छह कार्बन परतों के बीच प्रतिवर्ती सम्मिलन और निष्कर्षण से गुजर सकते हैं, जिससे लिथियम को संग्रहीत करने के लिए LiC6 यौगिक बनते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, इंटरलेयर रिक्ति में महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है; LiC6 के लिए, यह मान 0.37 एनएम हो जाता है, इस प्रकार 372 एमए·एच/जी की सैद्धांतिक अधिकतम विशिष्ट क्षमता प्राप्त होती है। इसके अलावा, ग्रेफाइट की उत्कृष्ट चालकता सामग्री के भीतर तेजी से इलेक्ट्रॉन प्रवासन की सुविधा प्रदान करती है। हालाँकि, जब एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है, तो ग्रेफाइट में कुछ कमियां भी होती हैं: इसका अपेक्षाकृत कम लिथियम सम्मिलन/निष्कर्षण वोल्टेज पठार चार्जिंग या डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम डेंड्राइट्स की वृद्धि का कारण बन सकता है। एक बार जब ये डेंड्राइट बैटरी विभाजक में प्रवेश कर जाते हैं, तो वे आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकते हैं, जिससे संभावित रूप से आग लग सकती है या विस्फोट भी हो सकता है, जिससे बैटरी सुरक्षा को खतरा हो सकता है।

चित्र 5-8 ग्रेफाइट स्तरित संरचना का योजनाबद्ध आरेख

ग्रेफाइट को मुख्य रूप से दो श्रेणियों में बांटा गया है: प्राकृतिक ग्रेफाइट और कृत्रिम ग्रेफाइट। प्राकृतिक ग्रेफाइट, जिसे संक्षेप में एनजी (प्राकृतिक ग्रेफाइट) कहा जाता है, प्रकृति से निकाली गई और सरल प्रसंस्करण के माध्यम से प्राप्त उच्च कार्बन सामग्री को संदर्भित करता है। इसमें स्तरित क्रिस्टल संरचना की दो अलग-अलग आकृतियाँ हैं: हेक्सागोनल और रोम्बिक। यह सामग्री न केवल भंडार में प्रचुर है, बल्कि लागत में भी कम और पर्यावरण के अनुकूल है। हालाँकि, लिथियम आयन बैटरी अनुप्रयोगों में, सतह गतिविधि के असमान वितरण और प्राकृतिक ग्रेफाइट पाउडर कणों के बड़े अनाज के आकार के कारण, इसकी सतह क्रिस्टल संरचना चार्ज के दौरान आसानी से क्षतिग्रस्त हो जाती है, जिससे एसईआई फिल्म कवरेज असमान हो जाती है और बैटरी की प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता और दर प्रदर्शन प्रभावित होती है। इन चुनौतियों पर काबू पाने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्राकृतिक ग्रेफाइट के गुणों में सुधार करने के लिए विभिन्न तकनीकों का विकास किया है, जैसे कि गोलाकारीकरण, ऑक्सीकरण सतह उपचार, फ्लोरिनेशन और सतह कार्बन कोटिंग, जिसका लक्ष्य इसकी सतह विशेषताओं और माइक्रोस्ट्रक्चर को अनुकूलित करना है।

कृत्रिम ग्रेफाइट का उत्पादन आसानी से ग्रेफाइटाइज्ड कार्बन सामग्री के उच्च तापमान ग्रेफाइटाइजेशन द्वारा किया जा सकता है। इस प्रकार की सामग्री का व्यापक रूप से लिथियम आयन बैटरियों में एनोड सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। प्राकृतिक ग्रेफाइट की तुलना में, कृत्रिम ग्रेफाइट लंबे चक्र जीवन, उच्च तापमान भंडारण क्षमता और उच्च दर प्रदर्शन के मामले में महत्वपूर्ण लाभ प्रदर्शित करता है, जिससे यह चीन में नई ऊर्जा वाहनों में उपयोग की जाने वाली लिथियम आयन बैटरी के लिए पसंदीदा एनोड सामग्री में से एक बन जाता है। अपनी बड़ी विशिष्ट क्षमता और अपेक्षाकृत कम लागत के कारण, कृत्रिम ग्रेफाइट का उपयोग पावर बैटरियों और मध्य {{8} से {9} उच्च {{10} अंतिम उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों में भी व्यापक रूप से किया जाता है। आंकड़े बताते हैं कि 2021 में, सभी एनोड सामग्री शिपमेंट में कृत्रिम ग्रेफाइट की हिस्सेदारी 84% थी।

गैर -ग्रेफाइट कार्बन सामग्री को मुख्य रूप से दो श्रेणियों में विभाजित किया गया है: कठोर कार्बन और नरम कार्बन। हार्ड कार्बन एक प्रकार की कार्बन सामग्री को संदर्भित करता है जिसे अत्यधिक उच्च तापमान (2800 डिग्री से ऊपर) पर भी ग्रेफाइट संरचना में बदलना मुश्किल होता है। ये सामग्रियां आमतौर पर कुछ पॉलिमर को पाइरोलाइज़ करके प्राप्त की जाती हैं। विशेष रूप से, कठोर कार्बन के सामान्य स्रोतों में विभिन्न रेजिन कार्बन (जैसे कि फेनोलिक रेजिन, पॉलीफुरफ्यूरिल अल्कोहल रेजिन पीएफए ​​{{5%)सी, और एपॉक्सी रेजिन), विशिष्ट पॉलिमर के पायरोलिसिस द्वारा गठित कार्बन (जैसे पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए), पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ), और पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन), और एसिटिलीन ब्लैक जैसे कार्बन ब्लैक उत्पाद शामिल हैं)। तैयारी प्रक्रिया के दौरान, कठोर कार्बन के अंदर बड़ी संख्या में जाली दोष बनते हैं, जो लिथियम आयनों को न केवल कार्बन परतों के बीच अंतर्संबंधित करने की अनुमति देता है, बल्कि इन दोष क्षेत्रों को भरने की भी अनुमति देता है, इस प्रकार इस सामग्री से बने एनोड को एक उच्च विशिष्ट क्षमता (350 और 500 mA·b/g के बीच) मिलती है, जो लिथियम आयन बैटरी की समग्र क्षमता में सुधार के लिए बहुत फायदेमंद है। हालाँकि, जब हार्ड कार्बन का उपयोग एनोड सामग्री के रूप में किया जाता है, तो उपरोक्त जाली दोष भी कम प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता और खराब चक्र स्थिरता का कारण बनते हैं। आज तक, इन समस्याओं के कारण, व्यावसायिक रूप से उत्पादित लिथियम आयन बैटरियों में हार्ड कार्बन का व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया है, और बड़े पैमाने पर इसका उपयोग करने से पहले अभी भी कुछ बाधाएँ हैं।

सॉफ्ट कार्बन अनाकार कार्बन सामग्री को संदर्भित करता है जो उच्च तापमान स्थितियों (2800 डिग्री से ऊपर) के तहत आसानी से रेखांकन करता है। इन सामग्रियों में पिच, सुई कोक, पेट्रोलियम कोक और कार्बन फाइबर शामिल हैं। नरम कार्बन में ग्रेफाइटाइजेशन के निम्न स्तर के कारण, इसकी संरचना में कई दोष होते हैं, जो इसे अधिक लिथियम आयनों को उलटने की अनुमति देता है; साथ ही, बड़ी इंटरलेयर रिक्ति इलेक्ट्रोलाइट प्रवेश को बढ़ावा देती है। इसलिए, इन विशेषताओं के आधार पर, नरम कार्बन सामग्री प्रारंभिक निर्वहन के दौरान उच्च क्षमता प्रदर्शित करती है। हालाँकि, इसकी संरचनात्मक अस्थिरता के कारण ही इसकी अपरिवर्तनीय क्षमता भी अपेक्षाकृत अधिक है। इसके अलावा, सॉफ्ट कार्बन की आंतरिक संरचना की अनियमितता से लिथियम आयन सक्रिय साइटों के अलग-अलग ऊर्जा वितरण होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान एक परिभाषित वोल्टेज पठार की कमी होती है, जो इसके व्यावहारिक अनुप्रयोगों को सीमित करती है।

रंजातु डाइऑक्साइड

टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) लिथियम आयन बैटरियों के लिए एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में बड़ी क्षमता दिखाता है, न केवल बड़े पैमाने पर उत्पादन और कम लागत के लिए इसकी व्यवहार्यता के कारण, बल्कि इसलिए भी कि यह 1.5V (Li/Li के सापेक्ष) के ऑपरेटिंग वोल्टेज पर उत्कृष्ट सुरक्षा और स्थिरता प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, TiO2 में उल्लेखनीय गुणों की एक श्रृंखला है: उच्च विद्युत रासायनिक गतिविधि, मजबूत ऑक्सीकरण शक्ति, अच्छी रासायनिक स्थिरता, प्रचुर प्राकृतिक संसाधन और विविध क्रिस्टल संरचनाएं।

ये फायदे सामूहिक रूप से TiO2 को लिथियम आयन बैटरियों (विशेषकर हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों के क्षेत्र में) के लिए आदर्श नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री विकल्पों में से एक बनाते हैं।

सैद्धांतिक रूप से, TiO2 की प्रत्येक इकाई द्रव्यमान 330 mA·h/g की क्षमता के अनुरूप एक लिथियम आयन को संग्रहीत कर सकता है, जो LiTiO2 की सैद्धांतिक क्षमता से लगभग दोगुना है। हालाँकि, व्यवहार में, यह पाया गया है कि इस सैद्धांतिक अधिकतम लिथियम भंडारण क्षमता को प्राप्त करना काफी कठिन है। कई कारक टाइटेनियम डाइऑक्साइड में लिथियम आयन सम्मिलन और निष्कर्षण दक्षता को प्रभावित करते हैं, जिनमें सामग्री की क्रिस्टलीयता, कण आकार, आंतरिक संरचनात्मक विशेषताएं और विशिष्ट सतह क्षेत्र शामिल हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि TiO2 विभिन्न क्रिस्टल चरणों में मौजूद है, सबसे प्रसिद्ध टेट्रागोनल क्रिस्टल सिस्टम में रूटाइल और एनाटेज प्रकार और ऑर्थोरोम्बिक क्रिस्टल सिस्टम में ब्रुकाइट प्रकार है।