लिथियम-आयन बॅटरी कशापासून बनतात?

लिथियम-आयन बॅटरीचा परिचय

लिथियम-आयन बॅटरीचे कार्य तत्त्व

लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये प्रामुख्याने सकारात्मक इलेक्ट्रोड, नकारात्मक इलेक्ट्रोड, लिथियम आयन चालवणारे इलेक्ट्रोलाइट आणिविभाजकआणि केसिंग जे सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड वेगळे करतात. पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियल हे सामान्यत: लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LiCoO₂), लिथियम निकेल ऑक्साईड (LiNiO₂), लिथियम मँगनीज ऑक्साईड (LiMnO₄), किंवा टर्नरी मटेरियल यांसारखे लिथियम आयन उलट करता येण्याजोगे अंतर्भूत आणि काढण्यासाठी अनुमती देते. (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). इलेक्ट्रोलाइट हे लिथियम क्षारांचे बनलेले असते (सामान्य लिथियम क्षारांमध्ये LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, इ.) विशिष्ट सॉल्व्हेंटमध्ये विरघळलेले असते (प्रामुख्याने इथिलीन कार्बोनेट (EC), डायथिल कार्बोनेट (DEC), डायमिथाइल कार्बोनेट (डिमिथाइल कार्बोनेट, विशिष्ट कार्बोनेट, डीपीसी) मध्ये विरघळलेले असते. प्रमाण). विभाजक सामग्री सामान्यत: एक पॉलीओलेफिन रेजिन असते, सामान्यत: सिंगल-लेयर किंवा मल्टी-लेयर पॉलीप्रोपायलीन (PP) आणि पॉलिथिलीन (PE) मायक्रोपोरस मेम्ब्रेन वापरते, जसे की सेलगार्ड 2300 विभाजक. निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड सामान्यत: पेट्रोलियम कोक, शुद्ध ग्रेफाइट आणि स्तरित ग्रेफाइट मिश्रित कार्बन यासारख्या लिथियम इंटरकॅलेशनसाठी सक्षम साहित्य वापरतो. नकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून कार्बन (C₆) वापरून लिथियम-आयन बॅटरीमधील प्रतिक्रिया आणि सकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून संक्रमण मेटल ऑक्साइड LiMeO₂ खालीलप्रमाणे आहे.

चार्जिंग दरम्यान:

डिस्चार्ज दरम्यान:

चार्जिंग दरम्यान, लिथियम आयन सकारात्मक इलेक्ट्रोडमधून सोडले जातात आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये घातले जातात; डिस्चार्जिंग दरम्यान, लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोडमधून सोडले जातात आणि सकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये घातले जातात. दुसऱ्या शब्दात, चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान, लिथियम आयन सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्समध्ये मागे-पुढे सरकतात, अगदी रॉकिंग चेअरसारखे. म्हणून, लिथियम-आयन बॅटरींना "रॉकिंग चेअर बॅटरी" असेही म्हणतात. त्यांचे कार्य तत्त्व आकृती 1.1 द्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकते.

सामान्य चार्ज आणि डिस्चार्ज परिस्थितीत, स्तरित कार्बन सामग्री आणि ऑक्साईड कणांमधील किंवा लिथियम- आयन बॅटरीमधील स्तरांमधील लिथियम आयन घालणे आणि काढणे यामुळे सामान्यत: केवळ इंटरलेअर अंतरामध्ये बदल होतो आणि क्रिस्टल संरचना खराब होत नाही. चार्ज आणि डिस्चार्ज दरम्यान, सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीची रासायनिक संरचना अनिवार्यपणे अपरिवर्तित राहते. त्यामुळे, चार्ज-डिस्चार्ज रिॲक्शनच्या उलट होण्याच्या दृष्टीकोनातून, बॅटरी सामग्रीमध्ये लिथियम आयन घालणे आणि काढणे ही एक आदर्श प्रतिक्रिया प्रक्रिया आहे. या वैशिष्ट्यांच्या आधारे, लिथियम-आयन बॅटरी निकेल-कॅडमियम आणि निकेल-मेटल हायड्राइड बॅटरीपेक्षा कार्यक्षमतेत श्रेष्ठ आहेत.

लिथियम-आयन बॅटरीचे वर्गीकरण

लिथियम-आयन बॅटरीचे वर्गीकरण वापरलेले कॅथोड साहित्य, स्वरूप आणि आकार, सेल निर्मिती पद्धत, पॅकेजिंग प्रकार आणि अनुप्रयोग वैशिष्ट्यांनुसार केले जाऊ शकते.

वापरलेल्या कॅथोड सामग्रीच्या आधारावर, लिथियम-आयन बॅटरी लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड बॅटरी, लिथियम मँगनीज ऑक्साईड बॅटरी, टर्नरी लिथियम बॅटरी आणि लिथियम आयर्न फॉस्फेट बॅटरीमध्ये विभागल्या जाऊ शकतात.

लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड बॅटरीजमध्ये नाममात्र व्होल्टेज 3.7V आणि ऑपरेटिंग व्होल्टेज श्रेणी 2.4~4.2V असते. लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड बॅटरीची स्थिर रचना, उच्च विशिष्ट क्षमता आणि उत्कृष्ट एकूण कार्यप्रदर्शन असते, परंतु त्यांची सुरक्षा खराब असते आणि त्यांची किंमत जास्त असते, मुख्यतः लहान आणि मध्यम आकाराच्या सेलमध्ये वापरली जाते. अलिकडच्या वर्षांत, उच्च-व्होल्टेज लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड सामग्री विकसित केली गेली आहे, जी बॅटरीची वरची मर्यादा व्होल्टेज 4.3V किंवा 4.35V पर्यंत वाढवू शकते, ज्यामुळे बॅटरीची क्षमता आणि ऊर्जा घनता प्रभावीपणे सुधारते. सध्या, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड बॅटरीमध्ये सर्वाधिक व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता असते, ती 550Wh/kg पर्यंत पोहोचते, ज्यामुळे उच्च मोबाइल फोन आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांना उर्जा देण्यासाठी त्यांना एकमेव पर्याय बनते.

लिथियम मँगनीज ऑक्साईड (MMANO) बॅटरीमध्ये नाममात्र व्होल्टेज 3.8V आणि ऑपरेटिंग व्होल्टेज श्रेणी 2.5V ते 4.2V असते. ओव्हरचार्ज प्रोटेक्शन व्होल्टेज 4.28V ± 0.025V आहे, आणि ओव्हर-डिस्चार्ज प्रोटेक्शन व्होल्टेज 2.5V ± 0.1V आहे. MMANO बॅटरीची किंमत कमी{10}}आहे आणि त्यांची सुरक्षितता चांगली आहे. तथापि, लिथियम मँगनीज ऑक्साईड सामग्री स्वतःच तुलनेने अस्थिर आहे आणि विघटन होण्यास प्रवण आहे, ज्यामुळे वायू आणि सूज निर्माण होते. त्याचे चक्र जीवन तुलनेने लवकर क्षीण होते, त्याचे आयुर्मान तुलनेने लहान असते आणि त्याची उच्च-तापमान कामगिरी खराब असते. हे प्रामुख्याने कमी-किंमत, मध्यम-ते-मोठ्या-सेल्समध्ये पॉवर बॅटरीच्या निर्मितीसाठी वापरले जाते.

टर्नरी लिथियम-आयन (TLC) बॅटरीजमध्ये नाममात्र व्होल्टेज 3.6V आणि ऑपरेटिंग व्होल्टेज श्रेणी 2.75V ते 4.2V असते. ओव्हरचार्ज प्रोटेक्शन व्होल्टेज 4.28V ± 0.025V आहे, आणि ओव्हर-डिस्चार्ज प्रोटेक्शन व्होल्टेज 2.75V ± 0.1V आहे. TLC बॅटरीची एकूण कामगिरी चांगली आहे, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LCO) पेक्षा स्वस्त आहेत आणि सुधारित सुरक्षा देतात. ते पॉवर बॅटरीमध्ये वापरले जाऊ शकतात आणि कॅथोड मटेरियल मार्केटमध्ये त्यांचा बाजारातील हिस्सा वर्षानुवर्षे वाढत आहे. टर्नरी लिथियम-आयन मटेरिअल वापरून छोट्या लिथियम-आयन बॅटरीज हळूहळू बाजारात स्वीकारल्या जात आहेत. स्टील-केस, ॲल्युमिनियम-केस, पाउच, पॉलिमर, आणि दंडगोलाकार लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये वापरण्यासाठी लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड आणि लिथियम मँगनीज ऑक्साईडसह टर्नरी सामग्रीचे मिश्रण देखील केले जाऊ शकते, ज्यामुळे बॅटरीची किंमत लक्षणीयरीत्या कमी होऊ शकते आणि एकूण कार्यक्षमता सुधारू शकते. सध्या, टर्नरी मटेरियल बॅटरी 180 Wh/kg ची ऊर्जा घनता प्राप्त करू शकतात (26650 स्टील-केस केलेल्या बॅटरी 90g वजनासह 4600 mAh/kg क्षमतेपर्यंत पोहोचू शकतात), किमतीत परिणामकारकता-स्पष्ट फायदा देतात.

लिथियम आयर्न फॉस्फेट (LFP) बॅटरीजमध्ये नाममात्र व्होल्टेज 3.2V आणि ऑपरेटिंग व्होल्टेज श्रेणी 2.5~3.75V असते. ओव्हरचार्ज प्रोटेक्शन व्होल्टेज 3.75V±0.025V आहे, आणि ओव्हर-डिस्चार्ज प्रोटेक्शन व्होल्टेज 2.5V±0.1V आहे. LFP बॅटरीचा सर्वात मोठा फायदा म्हणजे पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलची स्थिरता आणि विघटन न होणे, ज्यामुळे त्यांना इतर पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियल सिस्टमच्या तुलनेत अतुलनीय सुरक्षा मिळते. LFP बॅटरियांचे सायकलचे आयुष्य जास्त असते, ते भरपूर संसाधने असतात आणि पर्यावरणास अनुकूल असतात. तथापि, त्यांच्याकडे कमी डिस्चार्ज प्लॅटफॉर्म आणि खराब{13}}तापमान कामगिरी आहे.

देखावा आणि आकाराच्या आधारावर, लिथियम-आयन बॅटरियांना दंडगोलाकार बॅटरी आणि प्रिझमॅटिक बॅटरी इ.

सेल मॅन्युफॅक्चरिंग पद्धतीच्या आधारे, लिथियम-आयन बॅटरीज जखमेच्या बॅटरीज (दलनाकार जखम आणि सपाट जखमा), स्टॅक केलेल्या बॅटरी इ. मध्ये विभागल्या जाऊ शकतात.

पॅकेजिंग मटेरियलच्या प्रकारावर आधारित, लिथियम-आयन बॅटरी स्टीलच्या-केस केलेल्या बॅटरी, ॲल्युमिनियम-केस केलेल्या बॅटरी, प्लास्टिक-केस केलेल्या बॅटरी, सॉफ्ट{-पॅक बॅटरी इ.मध्ये विभागल्या जाऊ शकतात.

ऍप्लिकेशन वैशिष्ट्यांच्या आधारावर, लिथियम-आयन बॅटरी उच्च-तापमानाच्या बॅटरी, कमी-तापमानाच्या बॅटरी, पॉवर बॅटरी आणि क्षमतेच्या बॅटरी इ.मध्ये विभागल्या जाऊ शकतात.

त्यांच्या ऍप्लिकेशन क्षेत्रांच्या आधारावर, लिथियम-आयन बॅटरियांचे वर्गीकरण केले जाऊ शकते: बॅकअप बॅटरी, पॉवर बॅटरी आणि ऊर्जा स्टोरेज बॅटरी.

लिथियम-आयन बॅटरियांचे अनुप्रयोग

असे म्हटले जाऊ शकते की बॅटरीचा शोध लागल्यापासून, लिथियम-आयन बॅटरीइतका वेगाने आणि व्यापकपणे इतर कोणत्याही बॅटरी उत्पादनाचा वापर केला गेला नाही. संगणक CPU साठी घड्याळाच्या वीज पुरवठ्यापासून ते ऑटोमोबाईल्स आणि पाणबुड्यांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या मोठ्या लिथियम-आयन बॅटरी पॅकपर्यंत, क्षमतेतील फरक 10 दशलक्ष पटांपेक्षा जास्त आहे. त्यांच्याकडे दैनंदिन जीवन, वैद्यकीय उपकरणे, इलेक्ट्रिक वाहने, ऊर्जा साठवण पॉवर स्टेशन, एरोस्पेस आणि सैन्यात विस्तृत अनुप्रयोग आहेत.

10 वर्षांहून अधिक लोकप्रियतेनंतर, मोबाइल फोन आणि लॅपटॉप यांसारख्या डिजिटल उत्पादनांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जाणाऱ्या लिथियम-आयन बॅटरी ही एकमेव उर्जा प्रणाली बनली आहे. त्यांच्या उच्च विशिष्ट ऊर्जेमुळे, ते उर्जा साधने, इलेक्ट्रिक सायकली, इलेक्ट्रिक बस, पवन आणि सौर ऊर्जा साठवण पॉवर स्टेशन, मोबाईल कम्युनिकेशन बेस स्टेशन्स, मायनिंग लॅम्प पॉवर सप्लाय, मायनिंग रेस्क्यू कॅप्सूल पॉवर सप्लाय, मिलिटरी वैयक्तिक सोल्जर पॉवर सप्लाय, रेडिओ, सॅटेलाइट बॅटरी आणि इतर अनेक ऍप्लिकेशन्समध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. आकडेवारीनुसार, 2011 मध्ये, चीनच्या लिथियम बॅटरी उद्योगाचा बाजार आकार 39.7 अब्ज युआनपर्यंत पोहोचला, एका वर्षात-वर्षभर-४३% ची वाढ, आणि लिथियम बॅटरीचे वार्षिक उत्पादन २.९७ अब्ज युनिट्सवर पोहोचले, एका वर्षी-वर्षात{116}% वाढ झाली. लिथियम बॅटरी उद्योग राष्ट्रीय अर्थव्यवस्थेची एक महत्त्वाची औद्योगिक दिशा बनली आहे²¹.