لتیم آئن بیٹری انوڈ مواد

لتیم آئن بیٹریوں کے کلیدی مواد میں سے ایک کے طور پر، انوڈ مواد کو متعدد شرائط کو پورا کرنے کی ضرورت ہے۔

• Li intercalation اور deintercalation کے رد عمل میں لتیم آئن بیٹریوں کے اعلی آؤٹ پٹ وولٹیج کو پورا کرنے کی کم ریڈوکس صلاحیت ہے۔
• Li intercalation اور deintercalation کے عمل کے دوران، الیکٹروڈ پوٹینشل تھوڑا سا تبدیل ہوتا ہے، جو کہ ایک مستحکم آپریٹنگ وولٹیج حاصل کرنے کے لیے بیٹری کے لیے فائدہ مند ہے۔
• لتیم آئن بیٹریوں کی اعلی توانائی کی کثافت کو پورا کرنے کے لیے بڑی الٹنے کی صلاحیت۔
• Li deintercalation کے عمل کے دوران اچھی ساختی استحکام، تاکہ بیٹری کی سائیکل کی زندگی زیادہ ہو۔
• ماحول دوست، مینوفیکچرنگ اور بیٹری کو ضائع کرنے میں کوئی ماحولیاتی آلودگی یا زہر نہیں ہے۔
• تیاری کا عمل آسان ہے اور لاگت کم ہے، وسائل وافر اور حاصل کرنے میں آسان ہیں، وغیرہ۔

تکنیکی ترقی اور صنعتی اپ گریڈنگ کے ساتھ، انوڈ مواد کی اقسام میں بھی اضافہ ہو رہا ہے، اور نئے مواد مسلسل دریافت ہو رہے ہیں۔

انوڈ مواد کی اقسام کو کاربن اور غیر کاربن میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ کاربن میں قدرتی گریفائٹ، مصنوعی گریفائٹ، میسوفیس کاربن مائکرو اسپیئرز، سخت کاربن، نرم کاربن وغیرہ شامل ہیں۔ غیر کاربن کیٹیگریز میں سلکان پر مبنی مواد، ٹائٹینیم پر مبنی مواد، ٹن پر مبنی مواد، لیتھیم دھات وغیرہ شامل ہیں۔

1. قدرتی گریفائٹ

قدرتی گریفائٹ بنیادی طور پر فلیک گریفائٹ اور مائکرو کرسٹل لائن گریفائٹ میں تقسیم ہوتا ہے۔ فلیک گریفائٹ زیادہ الٹ جانے والی مخصوص صلاحیت اور پہلے سائیکل کولمبک کارکردگی کی نمائش کرتا ہے، لیکن اس کا سائیکل استحکام قدرے خراب ہے۔ مائیکرو کرسٹل لائن گریفائٹ میں سائیکل استحکام اور شرح کی کارکردگی اچھی ہے، لیکن اس کی کولمبک کارکردگی پہلے ہفتے میں کم ہے۔ دونوں گریفائٹس کو تیز رفتار چارجنگ کے دوران لیتھیم کی بارش کا مسئلہ درپیش ہے۔

فلیک گریفائٹ کے لیے، کوٹنگ، کمپاؤنڈنگ اور دیگر طریقے بنیادی طور پر سائیکل کے استحکام اور فاسفورس فلیک گریفائٹ کی الٹنے والی صلاحیت کو بہتر بنانے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں۔ کم درجہ حرارت فاسفورس فلیک گریفائٹ میں Li+ کو آہستہ آہستہ پھیلاتا ہے، جس کے نتیجے میں فاسفورس فلیک گریفائٹ کی کم الٹنے کی صلاحیت ہوتی ہے۔ تاکنا تخلیق اس کی کم درجہ حرارت لتیم اسٹوریج کی کارکردگی کو بہتر بنا سکتی ہے۔

مائکرو کرسٹل لائن گریفائٹ کی ناقص کرسٹالنٹی اس کی صلاحیت کو فلیک گریفائٹ سے کم بناتی ہے۔ مرکب اور کوٹنگ عام طور پر استعمال شدہ ترمیم کے طریقے ہیں۔ لی زنلو اور دیگر نے مائکرو کرسٹل لائن گریفائٹ کی سطح کو فینولک رال تھرمل طور پر کریکڈ کاربن کے ساتھ لیپت کیا، جس سے مائیکرو کرسٹل لائن گریفائٹ کی کولمبک کارکردگی {{{0}}.2% سے 89.9% تک بڑھ گئی۔ 0.1C کی موجودہ کثافت پر، اس کی ڈسچارج کی مخصوص صلاحیت 30 چارج ڈسچارج سائیکل کے بعد زائل نہیں ہوتی ہے۔ Sun YL et al. مائیکرو کرسٹل لائن گریفائٹ کی تہوں کے درمیان ایمبیڈڈ FeCl3 مواد کی الٹنے کی صلاحیت کو ~800 mAh g-1 تک بڑھانے کے لیے۔ مائیکرو کرسٹل لائن گریفائٹ کی صلاحیت اور شرح کی کارکردگی فاسفورس فلیک گریفائٹ سے بھی بدتر ہے، اور فاسفورس فلیک گریفائٹ کے مقابلے میں کم مطالعات ہیں۔

2. مصنوعی گریفائٹ

مصنوعی گریفائٹ خام مال جیسے پیٹرولیم کوک، سوئی کوک، اور پچ کوک کو کرشنگ، گرانولیشن، درجہ بندی، اور ہائی ٹمپریچر گرافیٹائزیشن پروسیسنگ کے ذریعے بنایا جاتا ہے۔ مصنوعی گریفائٹ سائیکل کی کارکردگی، شرح کی کارکردگی، اور الیکٹرولائٹس کے ساتھ مطابقت میں فوائد رکھتا ہے، لیکن اس کی صلاحیت عام طور پر قدرتی گریفائٹ سے کم ہوتی ہے، اس لیے اس کی قدر کا تعین کرنے والا بنیادی عنصر صلاحیت ہے۔

مصنوعی گریفائٹ کی ترمیم کا طریقہ قدرتی گریفائٹ سے مختلف ہے۔ عام طور پر، گریفائٹ اناج کی واقفیت (OI قدر) کو کم کرنے کا مقصد ذرہ کی ساخت کی تنظیم نو کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے۔ عام طور پر، 8 سے 10 μm قطر کے ساتھ سوئی کوک کا پیش خیمہ منتخب کیا جاتا ہے، اور آسانی سے گرافٹائز کرنے کے قابل مواد جیسے کہ پچ کو بائنڈر کے کاربن ماخذ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، اور اسے ڈرم فرنس میں پروسیس کیا جاتا ہے۔ 14 سے 18 μm کے ذرہ سائز D50 کے ساتھ ثانوی ذرات بنانے کے لیے کئی سوئی کوک کے ذرات کو جوڑ دیا جاتا ہے، اور پھر گرافٹائزیشن مکمل ہو جاتی ہے، جس سے مواد کی OI قدر کو مؤثر طریقے سے کم کیا جاتا ہے۔

3. میسوفیس کاربن مائکرو اسپیرز

جب اسفالٹ مرکبات کو گرمی کا علاج کیا جاتا ہے، تو تھرمل پولی کنڈینسیشن کا رد عمل چھوٹے انیسوٹروپک میسوفیس دائرے پیدا کرنے کے لیے ہوتا ہے۔ اسفالٹ میٹرکس سے میسوفیس موتیوں کو الگ کرکے مائکرون سائز کے کروی کاربن مواد کو میسوفیس کاربن مائکرو اسپیرز کہا جاتا ہے۔ قطر عام طور پر 1 اور 100 μm کے درمیان ہوتا ہے۔ تجارتی میسوفیس کاربن مائکرو اسپیس کا قطر عام طور پر 5 اور 40 μm کے درمیان ہوتا ہے۔ گیند کی سطح ہموار ہے اور اس کی کمپیکشن کثافت زیادہ ہے۔

میسوفیس کاربن مائکرو اسپیرز کے فوائد:

(1) کروی ذرات اعلی کثافت کے اسٹیک شدہ الیکٹروڈ کوٹنگز کی تشکیل کے لیے سازگار ہوتے ہیں، اور ان کی سطح کا ایک چھوٹا سا مخصوص رقبہ ہوتا ہے، جو ضمنی رد عمل کو کم کرنے کے لیے موزوں ہوتا ہے۔

(2) گیند کے اندر کاربن ایٹم پرت کو شعاعی طور پر ترتیب دیا گیا ہے، Li+ انٹرکلیشن اور ڈیانٹرکلیشن میں آسان ہے، اور بڑے کرنٹ چارج اور ڈسچارج کی کارکردگی اچھی ہے۔

تاہم، میسو کاربن مائیکرو اسپیئرز کے کناروں پر Li+ کی بار بار انٹرکلیشن اور ڈیانٹرکلیشن آسانی سے کاربن کی تہہ کو چھیلنے اور خراب کرنے کا باعث بن سکتی ہے، جس سے صلاحیت ختم ہو جاتی ہے۔ سطح کوٹنگ کا عمل مؤثر طریقے سے چھیلنے کے رجحان کو روک سکتا ہے۔ اس وقت، میسوفیس کاربن مائیکرو اسپیئرز پر زیادہ تر تحقیق سطح کی تبدیلی، دیگر مواد کے ساتھ مرکب، سطح کی کوٹنگ وغیرہ پر مرکوز ہے۔

4. نرم کاربن اور سخت کاربن

نرم کاربن آسانی سے graphitizable کاربن ہے، جس سے مراد بے ساختہ کاربن ہے جسے 2500 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر گرافٹائز کیا جا سکتا ہے۔ نرم کاربن میں کم کرسٹل پن، چھوٹے اناج کا سائز، بڑے انٹرپلانر سپیسنگ، الیکٹرولائٹ کے ساتھ اچھی مطابقت، اور اچھی شرح کی کارکردگی ہے۔ پہلے چارج اور ڈسچارج کے دوران نرم کاربن میں ناقابل واپسی صلاحیت، کم آؤٹ پٹ وولٹیج، اور کوئی واضح چارج اور ڈسچارج پلیٹ فارم نہیں ہوتا ہے۔ لہذا، یہ عام طور پر منفی الیکٹروڈ مواد کے طور پر آزادانہ طور پر استعمال نہیں ہوتا ہے، لیکن عام طور پر منفی الیکٹروڈ مواد کی کوٹنگ یا جزو کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔

ہارڈ کاربن وہ کاربن ہے جسے گرافٹائز کرنا مشکل ہے اور عام طور پر پولیمر مواد کے تھرمل کریکنگ سے تیار ہوتا ہے۔ عام سخت کاربن میں رال کاربن، آرگینک پولیمر پائرولائٹک کاربن، کاربن بلیک، بائیو ماس کاربن وغیرہ شامل ہیں۔ اس قسم کے کاربن مواد کی غیر محفوظ ساخت ہوتی ہے، اور فی الحال یہ خیال کیا جاتا ہے کہ یہ بنیادی طور پر Li+ کے ذریعے لیتھیم کو مائیکرو پورس اور سطح میں الٹ جانے والی جذب/ڈیسورپشن کے ذریعے ذخیرہ کرتا ہے۔ جذب/ڈیسورپشن۔

سخت کاربن کی الٹ جانے والی مخصوص صلاحیت 300~500mAhg-1 تک پہنچ سکتی ہے، لیکن اوسط ریڈوکس وولٹیج ~1Vvs.Li+/Li تک زیادہ ہے، اور کوئی واضح وولٹیج پلیٹ فارم نہیں ہے۔ تاہم، ہارڈ کاربن میں ابتدائی ناقابل واپسی صلاحیت، لیگنگ وولٹیج پلیٹ فارم، کم کمپیکشن کثافت، اور آسان گیس جنریشن ہے، جو کہ اس کی خامیاں بھی ہیں جن کو نظر انداز نہیں کیا جا سکتا۔ حالیہ برسوں میں ہونے والی تحقیق نے بنیادی طور پر کاربن کے مختلف ذرائع کے انتخاب، کنٹرول کے عمل، اعلیٰ صلاحیت والے مواد کے ساتھ مرکب سازی، اور کوٹنگ پر توجہ مرکوز کی ہے۔

5. سلیکون پر مبنی مواد

اگرچہ گریفائٹ اینوڈ مواد میں اعلی چالکتا اور استحکام کے فوائد ہیں، توانائی کی کثافت میں ان کی ترقی ان کی نظریاتی مخصوص صلاحیت (372mAh/g) کے قریب ہے۔ سلکان کو 4200mAh/g تک کی نظریاتی گرام گنجائش کے ساتھ سب سے زیادہ امید افزا انوڈ مواد میں سے ایک سمجھا جاتا ہے، جو گریفائٹ مواد سے 10 گنا زیادہ ہے۔ ایک ہی وقت میں، Si کی لتیم داخل کرنے کی صلاحیت کاربن مواد سے زیادہ ہے، لہذا چارجنگ کے دوران لتیم کی بارش کا خطرہ کم اور محفوظ ہے۔ تاہم، سلیکون اینوڈ مواد انٹرکلیشن اور ڈیانٹرکلیشن لیتھیم کے عمل کے دوران تقریباً 300 فیصد کے حجم میں توسیع سے گزرے گا، جو سلیکون اینوڈس کے صنعتی استعمال کو بہت حد تک محدود کرتا ہے۔

سلکان پر مبنی انوڈ مواد کو بنیادی طور پر دو قسموں میں تقسیم کیا گیا ہے: سلکان کاربن انوڈ مواد اور سلکان آکسیجن انوڈ مواد۔ موجودہ مرکزی دھارے کی سمت گریفائٹ کو میٹرکس کے طور پر استعمال کرنا ہے، نینو سلکان یا SiOx کے 5% سے 10% بڑے حصے کو ایک جامع مواد بنانے کے لیے شامل کرنا ہے، اور ذرہ کے حجم کی تبدیلیوں کو دبانے اور سائیکل کے استحکام کو بہتر بنانے کے لیے اسے کاربن کے ساتھ کوٹ کرنا ہے۔

منفی الیکٹروڈ مواد کی مخصوص صلاحیت کو بہتر بنانا توانائی کی کثافت بڑھانے کے لیے بہت اہمیت رکھتا ہے۔ اس وقت، مرکزی دھارے کا اطلاق گریفائٹ پر مبنی مواد ہے، جس کی مخصوص صلاحیت اس کی نظریاتی صلاحیت کی بالائی حد (372mAh/g) سے تجاوز کر چکی ہے۔ ایک ہی خاندان کے سلکان مواد میں سب سے زیادہ نظریاتی مخصوص صلاحیت (4200mAh/g تک) ہے، جو گریفائٹ سے 10 گنا زیادہ ہے۔ یہ لتیم بیٹری اینوڈ مواد میں سے ایک ہے جس میں زبردست ایپلی کیشن امکانات ہیں۔

فی الحال، سلیکون پر مبنی اینوڈ ٹیکنالوجیز جو صنعتی ہو سکتی ہیں، بنیادی طور پر دو قسموں میں تقسیم ہیں۔ ایک سیلیکا ہے، جسے بنیادی طور پر تین نسلوں میں تقسیم کیا گیا ہے: پہلی جنریشن سلیکا (سلیکان آکسائیڈ)، دوسری جنریشن پری میگنیشیم سلکا، اور تیسری جنریشن پری لیتھیم سلکا۔ دوسرا سلکان کاربن ہے، جسے بنیادی طور پر دو نسلوں میں تقسیم کیا گیا ہے: پہلی نسل گریفائٹ کے ساتھ ملا ہوا ریت زمینی نینو سلکان ہے۔ جنریشن 2: غیر محفوظ کاربن پر نینو سلیکا جمع کرنے کا CVD طریقہ۔

6. لیتھیم ٹائٹینیٹ

Lithium titanate (LTO) دھاتی لتیم اور کم ممکنہ منتقلی دھات ٹائٹینیم پر مشتمل ایک جامع آکسائیڈ ہے۔ یہ AB2X4 سیریز کے اسپنل قسم کے ٹھوس محلول سے تعلق رکھتا ہے۔ لیتھیم ٹائٹانیٹ کی نظریاتی گرام گنجائش 175mAh/g ہے، اور اصل گرام کی گنجائش 160mAh/g سے زیادہ ہے۔ یہ فی الحال صنعتی انوڈ مواد میں سے ایک ہے۔ جب سے 1996 میں لیتھیم ٹائٹینیٹ کی اطلاع ملی، علمی حلقے اس کی تحقیق کے لیے پرجوش ہیں۔ صنعت کاری کی ابتدائی رپورٹوں کا پتہ 2008 میں توشیبا کی طرف سے جاری کردہ 4.2Ah لیتھیم ٹائٹانیٹ اینوڈ پاور بیٹری سے لگایا جا سکتا ہے، جس میں برائے نام وولٹیج 2.4V اور توانائی کی کثافت 67.2Whkg-1 (131.6WhL-1 })۔

فائدہ:

(1) زیرو سٹرین، لیتھیم ٹائٹینیٹ یونٹ سیل پیرامیٹر a=0.836nm، چارج اور ڈسچارج کے دوران لتیم آئنوں کی انٹرکلیشن اور ڈیانٹرکلیشن کا اس کے کرسٹل ڈھانچے پر تقریباً کوئی اثر نہیں پڑتا، مواد کی توسیع اور سکڑاؤ کی وجہ سے ہونے والی ساختی تبدیلیوں سے گریز کرتا ہے۔ چارج اور خارج ہونے والے مادہ کے دوران. نتیجے کے طور پر، اس میں انتہائی اعلی الیکٹرو کیمیکل استحکام اور سائیکل کی زندگی ہے.

(2) لتیم کی بارش کا کوئی خطرہ نہیں ہے۔ لتیم ٹائٹینیٹ کی لتیم صلاحیت 1.55V تک زیادہ ہے۔ پہلے چارج کے دوران کوئی SEI فلم نہیں بنتی ہے۔ اس میں پہلی بار اعلی کارکردگی، اچھی تھرمل استحکام، کم انٹرفیس رکاوٹ، اور بہترین کم درجہ حرارت چارج کرنے کی کارکردگی ہے۔ اسے -40 ڈگری پر چارج کیا جا سکتا ہے۔

(3) تین جہتی تیز آئن موصل۔ لتیم ٹائٹینیٹ میں تین جہتی ریڑھ کی ہڈی کی ساخت ہے۔ لیتھیم داخل کرنے کی جگہ گریفائٹ کی تہوں کے درمیان فاصلہ سے کہیں زیادہ ہے۔ آئنک چالکتا گریفائٹ مواد سے زیادہ شدت کا ایک حکم ہے۔ یہ خاص طور پر ہائی ریٹ چارجنگ اور ڈسچارج کے لیے موزوں ہے۔ تاہم، اس کی مخصوص صلاحیت اور مخصوص توانائی کی کثافت کم ہے، اور چارج کرنے اور خارج ہونے کا عمل الیکٹرولائٹ کو گلنے اور پھولنے کا سبب بنے گا۔

فی الحال، لتیم ٹائٹینیٹ کا تجارتی حجم اب بھی بہت چھوٹا ہے، اور گریفائٹ پر اس کے فوائد واضح نہیں ہیں۔ لتیم ٹائٹینیٹ کے پیٹ پھولنے کے رجحان کو دبانے کے لیے، رپورٹوں کی ایک بڑی تعداد اب بھی سطح کی کوٹنگ میں ترمیم پر مرکوز ہے۔

7. دھاتی لتیم

میٹل لتیم انوڈ سب سے قدیم لتیم بیٹری انوڈ ہے جس کا مطالعہ کیا گیا ہے۔ تاہم، اس کی پیچیدگی کی وجہ سے، ماضی کی تحقیق کی پیش رفت سست رہی ہے۔ ٹیکنالوجی کی ترقی کے ساتھ، دھاتی لیتھیم اینوڈس پر تحقیق بھی بہتر ہو رہی ہے۔ دھاتی لیتھیم انوڈ کی نظریاتی مخصوص صلاحیت 3860mAhg-1 ہے اور -3.04V کی ایک سپر نیگیٹو الیکٹروڈ پوٹینشل ہے۔ یہ انتہائی اعلی توانائی کی کثافت کے ساتھ ایک anode ہے. تاہم، لیتھیم کی زیادہ رد عمل اور چارجنگ اور ڈسچارجنگ کے دوران ناہموار جمع اور ڈیسورپشن کا عمل سائیکل کے دوران پلورائزیشن اور لیتھیم ڈینڈرائٹ کی نمو کا باعث بنتا ہے، جس سے بیٹری کی کارکردگی میں تیزی سے کمی واقع ہوتی ہے۔

دھاتی لتیم کے مسئلے کے جواب میں، محققین نے لیتھیم انوڈ میں ڈینڈرائٹس کی نشوونما کو روکنے کے طریقے اپنائے ہیں تاکہ اس کی حفاظت اور سائیکل کی زندگی کو بہتر بنایا جا سکے، جس میں مصنوعی ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس فلموں (SEI فلموں) کی تعمیر، لتیم انوڈ ساختی ڈیزائن، وغیرہ شامل ہیں۔ الیکٹرولائٹ ترمیم اور دیگر طریقے۔

8. ٹن پر مبنی مواد

ٹن پر مبنی مواد کی نظریاتی مخصوص صلاحیت بہت زیادہ ہے، اور خالص ٹن کی نظریاتی مخصوص صلاحیت 994mAh/g تک پہنچ سکتی ہے۔ تاہم، ٹن میٹل کا حجم انٹرکلیشن اور ڈی انٹرکلیشن لیتھیم کے عمل کے دوران بدل جائے گا، جس کے نتیجے میں حجم میں 300% سے زیادہ کا اضافہ ہوگا۔ اس حجم کی توسیع کی وجہ سے مادی خرابی بیٹری کے اندر ایک بڑی رکاوٹ پیدا کرے گی، جس کی وجہ سے بیٹری سائیکل کی کارکردگی خراب ہو جائے گی اور مخصوص صلاحیت بہت جلد زوال پذیر ہو جائے گی۔ عام ٹن پر مبنی منفی الیکٹروڈ مواد میں دھاتی ٹن، ٹن پر مبنی مرکبات، ٹن پر مبنی آکسائڈز، اور ٹن کاربن مرکب مواد شامل ہیں۔