लिथियम धातु एनोड सामग्री

लिथियमधातु एनोड में अत्यधिक उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता (3860 एमए·बीजी) और सबसे कम इलेक्ट्रोकेमिकल क्षमता (-3.040 वी (बनाम एसएचई)) होती है, जिससे उन्हें कई इलेक्ट्रोड सामग्रियों के बीच "पवित्र ग्रेल" इलेक्ट्रोड माना जाता है। लिथियम धातु बैटरियों में लिथियम {{5}सल्फर और लिथियम {7}ऑक्सीजन बैटरियां शामिल हैं। लिथियम-सल्फर बैटरियों का ऊर्जा घनत्व लगभग 2600 W·h/kg होता है, जबकि लिथियम-ऑक्सीजन बैटरियों का ऊर्जा घनत्व लगभग 3500 W·h/kg होता है, जो पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में क्रमशः 7 और 10 गुना है। इसलिए, लिथियम धातु बैटरियों को सबसे आशाजनक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में से एक माना जाता है और अगली पीढ़ी की बैटरी प्रणालियों के लिए एक शीर्ष उम्मीदवार माना जाता है, जो काफी ध्यान आकर्षित करती है। हालाँकि, लिथियम डेंड्राइट समस्या के कारण, प्रारंभिक लिथियम धातु बैटरियों का उपयोग केवल कुछ विशेष क्षेत्रों में ही किया जा सकता था, और उनके व्यावसायीकरण में देरी हुई है।

रिचार्जेबल लिथियम धातु बैटरियों का आविष्कार 1970 के दशक में हुआ था और इनका व्यापक रूप से घड़ियों, कैलकुलेटर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किया जाता था।

लिथियम धातु बैटरियों का व्यापक रूप से विद्युत उपकरणों और पोर्टेबल चिकित्सा उपकरणों में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, लिथियम धातु में कुछ दोषों के कारण उनके व्यावसायीकरण में बाधा उत्पन्न हुई है। आवर्त सारणी के समूह 1 के सदस्य के रूप में, लिथियम परमाणुओं के सबसे बाहरी आवरण में केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है, जिससे वे अत्यधिक रासायनिक रूप से प्रतिक्रियाशील हो जाते हैं क्योंकि वे आसानी से इस इलेक्ट्रॉन को खो देते हैं। कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में आने पर, लिथियम धातु इसकी सतह पर सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (एसईआई) नामक एक फिल्म बनाती है। इस फिल्म का मुख्य कार्य लिथियम धातु को इलेक्ट्रोलाइट से अलग करना है, जिससे लिथियम के आगे क्षरण को रोका जा सके। हालाँकि, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम धातु की महत्वपूर्ण मात्रा में परिवर्तन के कारण, एसईआई फिल्म अक्सर फट जाती है। उजागर ताजा लिथियम धातु की सतह एक नई एसईआई फिल्म बनाने के लिए इलेक्ट्रोलाइट के साथ फिर से प्रतिक्रिया करती है। यह प्रक्रिया न केवल दरारों के साथ लिथियम डेन्ड्राइट के विकास को बढ़ावा देती है, बल्कि बैटरी के अंदर विभाजक में भी प्रवेश कर सकती है, जिससे शॉर्ट सर्किट हो सकता है। जब शॉर्ट सर्किट होता है, तो बैटरी के अंदर बड़ी मात्रा में गर्मी उत्पन्न होती है, जो चरम मामलों में दहन या विस्फोट का कारण बन सकती है, जो लिथियम धातु बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन और विपणन क्षमता को गंभीर रूप से प्रभावित करती है। इसके अलावा, जैसे-जैसे लिथियम डेंड्राइट्स की संख्या बढ़ती है, वे नकारात्मक इलेक्ट्रोड को इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में आने के लिए अधिक अवसर प्रदान करते हैं, जिससे साइड प्रतिक्रियाओं की दर तेज हो जाती है। ये अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं इलेक्ट्रोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट्स का उपभोग करती हैं, जिससे बैटरी की ऊर्जा घनत्व और कूलम्बिक दक्षता कम हो जाती है। लंबे समय तक उपयोग के बाद, कई लिथियम डेंड्राइट नवगठित एसईआई फिल्म में बंद हो जाते हैं, जो सामान्य विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भाग लेने में असमर्थ होते हैं; इसके साथ ही, सब्सट्रेट के पास लिथियम डेंड्राइट तेजी से विघटित हो जाते हैं, जिससे "मृत" लिथियम बन जाता है, जिसका अर्थ है कि लिथियम का यह हिस्सा इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से निष्क्रिय हो जाता है, जिससे समग्र बैटरी प्रदर्शन काफी कमजोर हो जाता है। पिछले 40 वर्षों में, लिथियम डेंड्राइट गठन तंत्र के अनुसंधान और सिमुलेशन में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है।

डेंड्राइट वृद्धि को दबाने के लिए सबसे आम रणनीतियों में से एक इलेक्ट्रोलाइट संरचना को समायोजित करके और विशिष्ट पदार्थों को जोड़कर लिथियम धातु की सतह पर ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (एसईआई) परत की स्थिरता और स्थिरता को बढ़ाना है। हालाँकि, चूंकि लिथियम धातु कार्बनिक योजकों में थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर है, इसलिए तरल इलेक्ट्रोलाइट वातावरण में इसकी सतह पर एक प्रभावी निष्क्रियता परत बनाना काफी चुनौतीपूर्ण है। एसईआई परत को अनुकूलित करने के अलावा, उच्च यांत्रिक शक्ति के साथ पॉलिमर या ठोस बाधा परतें डालना भी विभाजक में डेन्ड्राइट प्रवेश को रोकने का एक प्रभावी साधन हो सकता है। इन विधियों का उद्देश्य एसईआई परत या स्वयं विभाजक के यांत्रिक गुणों में सुधार करके विभाजक को लिथियम डेंड्राइट क्षति को रोकना है, लेकिन वे मूल रूप से डेंड्राइट गठन की समस्या को खत्म नहीं करते हैं। हालांकि इस चुनौती पर पूरी तरह से काबू पाने में अभी कुछ समय बाकी है, और लिथियम धातु एनोड आधारित बैटरी उत्पाद अभी भी बाजार में व्यापक रूप से उपलब्ध नहीं हैं, शोधकर्ताओं ने सैद्धांतिक रूप से व्यावहारिक अनुप्रयोगों की क्षमता का प्रदर्शन करते हुए कई वैचारिक लिथियम धातु बैटरी डिजाइन प्रस्तावित किए हैं। इनमें से, कैथोड सामग्री के रूप में सल्फर का उपयोग करने वाली लिथियम {{6}सल्फर बैटरियां और कैथोड सक्रिय सामग्री के रूप में ऑक्सीजन का उपयोग करने वाली लिथियम {7}ऑक्सीजन बैटरियों ने अपने अद्वितीय लाभों के कारण काफी ध्यान आकर्षित किया है और दो अत्यधिक व्यावसायिक रूप से आशाजनक सभी सेल सिस्टम माने जाते हैं। लिथियम{{10}सल्फर बैटरियों में अत्यधिक उच्च ऊर्जा घनत्व (लगभग 2600 W·किग्रा) होता है और इन्हें अगली पीढ़ी की बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए आशाजनक उम्मीदवारों के रूप में व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि मौलिक सल्फर प्रकृति में प्रचुर मात्रा में है और पर्यावरण के अनुकूल है, जो लिथियम सल्फर बैटरी के फायदों को और उजागर करता है। इसलिए, हाल के वर्षों में लिथियम सल्फर बैटरियों ने दुनिया भर में ध्यान आकर्षित किया है।

लिथियम की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान उत्पन्न पॉलीसल्फाइड मध्यवर्ती {{0}सल्फर बैटरियां इलेक्ट्रोलाइट में घुल जाती हैं और नकारात्मक इलेक्ट्रोड में शटल हो जाती हैं। इसलिए, पॉलीसल्फाइड मध्यवर्ती की उपस्थिति में लिथियम डेंड्राइट का दमन अधिक जटिल हो जाता है, खासकर जब सल्फर कैथोड लोडिंग अधिक होती है। पॉलीसल्फाइड्स एसईआई फिल्म में प्रवेश कर सकते हैं और सतह परत के नीचे ताजा लिथियम धातु को संक्षारित कर सकते हैं, जिससे क्षमता हानि हो सकती है। इसलिए, पॉलीसल्फाइड शटल को रोकना न केवल लिथियम {4}सल्फर बैटरी संचालन के दौरान कैथोड क्षमता में सुधार के लिए आवश्यक है, बल्कि एसईआई फिल्म स्थिरता और डेंड्राइट मुक्त नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्राप्त करने के लिए भी आवश्यक है। निरंतर प्रयासों के माध्यम से, कई तरीके विकसित किए गए हैं, जिनमें सकारात्मक सीमित डोमेन और सोखना, इलेक्ट्रोलाइट संशोधन और विभाजक डिजाइन शामिल हैं। हालाँकि, ये विधियाँ लिथियम धातु एनोड में डेंड्राइट वृद्धि को सीधे दबाए बिना, पॉलीसल्फाइड शटल को दबाने और सल्फर कैथोड की उपयोग दर में सुधार करने पर अधिक ध्यान केंद्रित करती हैं। लिथियम -सल्फर बैटरियों का प्रदर्शन लिथियम धातु एनोड की सुरक्षा पर निर्भर करता है। विभिन्न डेंड्राइट वृद्धि दमन विधियों का सहक्रियात्मक प्रभाव लिथियम {{11}सल्फर बैटरियों के व्यावहारिक अनुप्रयोग को तेज कर सकता है।

लिथियम -ऑक्सीजन बैटरियां एक प्रकार की बैटरी हैं जो सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में हवा से ऑक्सीजन का उपयोग करती हैं; इन्हें कभी-कभी लिथियम{{1}एयर बैटरियां भी कहा जाता है। लिथियम ऑक्सीजन बैटरियों का सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व 3500 Wh/kg तक है, जो वाणिज्यिक लिथियम आयन बैटरियों से कहीं अधिक है। इसलिए, लिथियम ऑक्सीजन बैटरियां ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र में एक क्रांतिकारी प्रगति बन गई हैं, जो दुनिया भर का ध्यान आकर्षित कर रही हैं और अगली पीढ़ी की ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में एक मजबूत दावेदार मानी जा रही हैं।

पॉलीसल्फाइड मध्यवर्ती के समान, लिथियम बैटरी में सकारात्मक इलेक्ट्रोड से लिथियम धातु नकारात्मक इलेक्ट्रोड से ऑक्सीजन क्रॉस को जोड़ने से लिथियम धातु की सतह का क्रमिक क्षरण हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइट अपघटन होता है और चार्जिंग के दौरान LiOH और LiCO3 का निर्माण होता है। इसलिए, ऑक्सीजन क्रॉसलिंकिंग को दबाने के लिए कई रणनीतियाँ विकसित की गई हैं। सकारात्मक इलेक्ट्रोड समस्या के अलावा, डेंड्राइट वृद्धि के कारण लिथियम की कमी और पैसिवेशन फिल्म की क्षति रिचार्जेबल लिथियम ऑक्सीजन बैटरियों में लिथियम धातु के उपयोग को गंभीर रूप से बाधित करती है। लिथियम डेन्ड्राइट वृद्धि को दबाने के लिए उपरोक्त रणनीतियाँ लिथियम -ऑक्सीजन बैटरियों पर भी लागू होती हैं। इलेक्ट्रोलाइट एडिटिव्स, सेपरेटर संशोधन और नकारात्मक इलेक्ट्रोड डिजाइन के माध्यम से, लिथियम बैटरी के प्रदर्शन में काफी सुधार किया जा सकता है।