سلفائیڈ سالڈ اسٹیٹ بیٹری کے لیے کیتھوڈ اور انوڈ کی تیاری اور اسمبلی کا طریقہ - انڈسٹری نیوز

حالیہ برسوں میں، سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹس کی تیزی سے ترقی ہوئی ہے جن میں Li2S-SiS2، Li2S-B2S3، Li2S-P2S5، Li(10±1)MP2S12(M=Ge, Si, Sn, Al, P) , Li6PS5X(X=Cl, Br, I)۔ خاص طور پر، thio-LISICON ڈھانچہ سلفائیڈ، جس کی نمائندگی Li10GeP2S12 (LGPS) کرتی ہے، انتہائی اعلی کمرے کا درجہ حرارت 12mS/cm مائع الیکٹرولائٹس سے زیادہ لیتھیم آئن چالکتا کو ظاہر کرتا ہے، جس نے جزوی طور پر ٹھوس کی اندرونی چالکتا کی ناکافی خامیوں کو حل کر دیا ہے۔

شکل 1(a) 2.2 cm×2.2 cm Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 کا استعمال کرتے ہوئے ایک آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری دکھاتی ہے۔ یہ گلاس سیرامک ٹھوس الیکٹرولائٹ شیٹ، LiFePO4 مثبت الیکٹروڈ مواد، PEO پر مبنی پولیمر ترمیم کی تہہ اور دھاتی لتیم منفی الیکٹروڈ سے جمع کیا گیا ہے۔ یہ کمرے کے درجہ حرارت پر عام طور پر خارج ہوسکتا ہے اور ایل ای ڈی لائٹس کو روشن کرسکتا ہے۔ اس کے بنیادی اجزاء کا اسکیمیٹک ساختی خاکہ شکل 1(b) میں دکھایا گیا ہے۔ اس سے یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ مثبت الیکٹروڈ تہہ، غیر نامیاتی ٹھوس الیکٹرولائٹ تہہ، منفی الیکٹروڈ انٹرفیس ترمیمی تہہ، اور لیتھیم فوائل ایک دوسرے سے قریب سے جڑے ہوئے ہیں، اور ان کے مواد اور ساخت کا بیٹری کی کارکردگی پر فیصلہ کن اثر پڑتا ہے۔ ہر جزو کی تیاری ذیل میں تفصیل سے بیان کی گئی ہے۔

Fig 1 All-solid-state lithium battery based on sulfide solid electrolyte

تصویر 1 آکسائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری

1. کیتھوڈ کی تیاری کا طریقہ

سلفائیڈ الیکٹرولائٹ پاؤڈر کا ینگ کا ماڈیولس تقریباً 20 GPa ہے، اس میں زیادہ چپکنے اور سکڑنے کی صلاحیت ہے، پلاسٹک کی خرابی کا شکار ہے، اور کولڈ دبانے کے بعد اناج کی حد کی مزاحمت کم ہے۔ لہذا، مثبت الیکٹروڈ پرت کی تیاری کے دوران، مثبت الیکٹروڈ پاؤڈر کے ساتھ براہ راست خشک ملایا جانا مناسب ہے [شکل 2(a)]۔ خشک مکسنگ کے دوران، کنڈکٹو ایجنٹ، سلفائیڈ الیکٹرولائٹ، اور کیتھوڈ مواد کو ایک ہی وقت میں مارٹر میں شامل کیا جاتا ہے، اور پھر دستی طور پر یا میکانکی طور پر مکسر میں ملایا جاتا ہے۔ واضح رہے کہ مختلف کیتھوڈ مواد اور الیکٹرولائٹس کی مماثلت، مختلف کنڈکٹیو ایجنٹوں کے قابل اطلاق مواقع، اور مختلف کیتھوڈ کوٹنگ کی تہوں کو حقیقی حالات میں غور کرنے کی ضرورت ہے۔ مثال کے طور پر، Tan et al. [30] نے LPSC کے گلنے پر گیس کے مرحلے میں پیدا ہونے والے VGCF اور کاربن بلیک کے مختلف اثرات کی تحقیقات کی۔ یہ پایا گیا کہ Li-In/LPSC/LPSC-کاربن بیٹریاں کاربن بلیک کے 30% بڑے حصے کا استعمال کرتی ہیں اور کاربن ریشوں کے بخارات کے ذخیرے کو چارج کیا گیا تھا۔ کاربن بلیک استعمال کرنے والی بیٹریاں سطح کے چھوٹے مخصوص علاقوں والے کاربن ریشوں کے مقابلے میں زیادہ سڑن کی صلاحیتوں اور تیزی سے سڑنے والی حرکیات کو ظاہر کرتی ہیں۔ ایک ہی وقت میں، اس نے Li-In/LPSC/NCM811 آدھے خلیوں کے چارج اور خارج ہونے والے منحنی خطوط کا موازنہ دو conductive additives کے ساتھ کیا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ بیٹریاں الیکٹرولائٹ سڑن کو کم کرتی ہیں جب بخارات کے جمع ہونے والے کاربن ریشوں کو بطور اضافی استعمال کرتے ہیں۔ کاربن بلیک ایڈیٹیو کے مقابلے میں، پہلے سائیکل کی کولمبک کارکردگی زیادہ ہے اور بیٹری پولرائزیشن کم ہے۔

Fig 2 Preparation of the cathode for all-solid-state lithium battery cathode based on sulfide solid electrolyte

تصویر 2 سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری کیتھوڈ کے لیے کیتھوڈ کی تیاری

ہائی والیوم رول ٹو رول پروڈکشن میں سلفائیڈ بیٹریاں تیار کرتے وقت، گیلے کوٹنگ کا عمل [فگر 2(b)] اسکیل اپ کے لیے زیادہ موزوں ہو سکتا ہے۔ یہ پتلی فلم الیکٹرولائٹ تہوں اور الیکٹروڈ تہوں کو بنانے کے لیے پولیمر بائنڈر اور سالوینٹس استعمال کرنے کی ضرورت کی وجہ سے ہے تاکہ ہائی تھرو پٹ رول ٹو رول عمل کے لیے درکار مکینیکل خصوصیات فراہم کی جاسکیں۔ مزید برآں، الیکٹرولائٹ/الیکٹروڈ میں لچکدار پولیمر کی موجودگی بار بار چارج ڈسچارج سائیکلوں سے پیدا ہونے والے تناؤ اور تناؤ کو مؤثر طریقے سے بفر کر سکتی ہے اور دراڑ کی تشکیل اور پارٹیکل شیڈنگ جیسے مسائل کو کم کر سکتی ہے۔ تاہم تیاری کے عمل کے دوران درج ذیل امور پر توجہ دینے کی ضرورت ہے۔ ① پولیمر چپکنے والی کو غیر قطبی یا کم قطبی سالوینٹ (جیسے زائلین) میں سلفائیڈز کے ساتھ نہ ہونے کے برابر رد عمل کے ساتھ تحلیل کیا جانا چاہیے۔ ②مضبوط چپکنے کی صلاحیت کے ساتھ پولیمر چپکنے والی اشیاء کا استعمال کیا جانا چاہئے، ورنہ اضافی پولیمر الیکٹرولائٹ/الیکٹروڈ کی چالکتا اور تھرمل استحکام کو بری طرح متاثر کرے گا۔ ③پولیمر چپکنے والی چیزوں کو انتہائی لچکدار ہونے کی ضرورت ہے۔ اگرچہ پولیمر جیسے پولی اسٹیرین (PS) اور پولی میتھائل میتھاکریلیٹ (PMMA) کو زائلین میں تحلیل کیا جا سکتا ہے، لیکن سالوینٹ کے خشک ہونے کے بعد وہ انتہائی سخت ہوتے ہیں۔ یہ الیکٹرولائٹ/الیکٹروڈ کو کچلنے کا سبب بنے گا، لہذا زیادہ تر کام کے لیے نائٹریل ربڑ (NBR) اور اسٹائرین-بوٹاڈین ربڑ کا انتخاب کیا جاتا ہے۔ تاہم، ربڑ کے ساتھ مسئلہ یہ ہے کہ یہ اندرونی طور پر آئنک چالکتا پیدا نہیں کر سکتا، جو کہ بیٹری کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کو نمایاں طور پر گرا دیتا ہے یہاں تک کہ جب صرف تھوڑی مقدار میں نائٹریل ربڑ استعمال کیا جائے۔ اس وجہ سے، اعلی آئنک چالکتا، اعلی تھرمل استحکام، غیر قطبی یا کم قطبی سالوینٹس میں گھلنشیل، اور ناقابل حل پولی سلفائڈز کے ساتھ پولیمر کا استعمال سلفائیڈ الیکٹرولائٹ گیلی کوٹنگ کی مستقبل کی ترقی کی سمت ہے۔ اوہ وغیرہ۔ [31] نے ایک 70 μm موٹی لچکدار سلفائیڈ الیکٹرولائٹ جھلی اور مثبت الیکٹروڈ ٹرائیتھیلین گلائکول ڈائمتھائل ایتھر، لیتھیم بسٹری فلورومیتھین سلفونیمائیڈ (LiTFSI)، LPSC، اور NBR کو ملا کر تیار کیا۔ دھاتی لیتھیم سے مماثل ہونے کے بعد، LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2//Li بیٹری کی مخصوص صلاحیت 174 mA·h/g ہے، اور کیتھوڈ مواد کی لوڈنگ کی صلاحیت 45 تک پہنچ سکتی ہے۔ mg/cm2.

تاہم، مندرجہ بالا عمل میں گیلے گودے میں سالوینٹس کی ایک بڑی مقدار کا استعمال کیا جائے گا، جو ناگزیر طور پر مرکب میں باقی سالوینٹ کے کچھ چھوٹے مالیکیولز کی طرف لے جائے گا [32]، اور پھر ضمنی رد عمل واقع ہوں گے، جس کے نتیجے میں الیکٹرولائٹ چالکتا میں کمی واقع ہوگی اور بیٹری کی زندگی کی سنگین توجہ. فعال مواد کو لپیٹنے والے محلول میں پولیمر بائنڈر کی حد کو کنٹرول کرنا مشکل ہے، جو آسانی سے بوجھ کی منتقلی کی ناکامی کا باعث بن سکتا ہے۔ سالوینٹس کے اتار چڑھاؤ کے نتیجے میں الیکٹروڈ شیٹ کی کم کثافت ہوتی ہے، جو بیٹری کے حرکیاتی عمل کے لیے موزوں نہیں ہے۔ اس کے علاوہ، اسکیل اپ کے بعد سالوینٹ کا اخراج اور ری سائیکلنگ بھی ناگزیر مسائل ہیں۔ لہذا، PTFE [Figure 2(c)] کا استعمال کرتے ہوئے خشک کوٹنگ ٹیکنالوجی ایک اور آپشن بن گئی ہے۔ اس میں بنیادی طور پر تین مراحل شامل ہیں: ① الیکٹرولائٹ، الیکٹروڈ، اور PTFE بال مل کو خشک کریں؛ ② پاؤڈر کو فلم میں رول کریں۔ ③ فلم اور موجودہ کلیکٹر کو شکل میں رول کریں۔ چونکہ PTFE میں فلورین-کاربن زنجیروں کے درمیان بین سالماتی قوت انتہائی کم ہے، سالماتی زنجیر میں اچھی لچک ہوتی ہے۔ بڑے مالیکیولر وزن پی ٹی ایف ای فائن پاؤڈر کے ذرات دشاتمک قوت کے عمل کے تحت فبریلیشن پیدا کریں گے، یعنی ذرات کے اندر موجود ذرات کو ریشے دار اور نیٹ ورک ڈھانچے کی تشکیل کے لیے قینچ قوت کے عمل کے تحت باقاعدگی سے ایک خاص سمت میں ترتیب دیا جاتا ہے [33]۔ لہذا، ایک بڑی تعداد میں فعال مواد، الیکٹرولائٹس، اور conductive کاربن مضبوطی سے منسلک کیا جا سکتا ہے لیکن مکمل طور پر احاطہ نہیں کیا جا سکتا. Hippauf et al. [34] نے پایا کہ 93 μm موٹی سیلف سپورٹنگ کیتھوڈ جھلی کو خشک کوٹنگ ٹیکنالوجی کے ذریعے NCM کیتھوڈ، سلفائیڈ الیکٹرولائٹ، اور VGCF کا استعمال کرتے ہوئے PTFE کے صرف 0.3% بڑے حصے کا استعمال کرتے ہوئے تیار کیا جا سکتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، یہ 6.5 mA·h/cm2 کی اعلی سطحی صلاحیت کو ظاہر کرتا ہے۔ ڈونگ وغیرہ۔ [35] نے رول ٹو رول ڈرائی الیکٹروڈ تیار کرنے کے لیے مختلف اینوڈ مواد (جیسے سلیکون پر مبنی مواد اور لیتھیم ٹائٹینیٹ) اور کیتھوڈ مواد (جیسے این ایم سی، این سی اے، ایل ایف پی، سلفر) کا استعمال کیا اور انہیں کامیابی سے تجارتی بنایا۔ لی وغیرہ۔ [36] نے ایک اعلیٰ صلاحیت والی سلفائیڈ بیٹری کیتھوڈ تیار کرنے کے لیے ڈرائی کوٹنگ ٹیکنالوجی کا بھی استعمال کیا جسے لیبارٹری میں 1000 بار مستقل طور پر سائیکل کیا جا سکتا ہے۔ مندرجہ بالا کام سلفائیڈ آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹریوں میں خشک کوٹنگ الیکٹروڈ کے عمل کے استحکام اور عالمگیریت کو مکمل طور پر ثابت کرتا ہے۔

2. انوڈ کی تیاری کا طریقہ

Thio-LISICON ڈھانچہ ٹرنری سلفائڈ الیکٹرولائٹ میں اعلی چالکتا ہے۔ تاہم، تجرباتی اور کمپیوٹیشنل ورک رپورٹس [37] کے مطابق، دھاتی لیتھیم LGPS، Li10Sn2PS12، وغیرہ کے ساتھ توسیع شدہ انٹرفیس کے ساتھ بے ساختہ اور بتدریج رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ Li15Ge4 تیار کیا جائے گا۔ یہ Li/LGPS کے انٹرفیس کی رکاوٹ میں اضافہ اور آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری میں ایک شارٹ سرکٹ کا باعث بنتا ہے، جو اس کی ہائی انرجی ڈینسٹی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری کی ترقی کو سنجیدگی سے روکتا ہے۔ سلفائیڈ الیکٹرولائٹس کے کیمیائی/الیکٹرو کیمیکل استحکام کو بہتر بنانے کے لیے، خاص طور پر ٹرنری سلفائیڈز جن میں جرمینیئم، ٹن، زنک وغیرہ شامل ہیں، دھاتی لیتھیم کے لیے، فی الحال تین اہم حل موجود ہیں۔

(1) دھاتی لتیم کی سطح کو سلفائیڈ الیکٹرولائٹ کی حفاظت کے لیے حالت میں سطح کے آئن چالکتا میں تبدیلی کی تہہ پیدا کرنے کے لیے علاج کیا جاتا ہے۔ جیسا کہ شکل 3(a) میں دکھایا گیا ہے، Zhang et al. [25] نے LiH2PO4 حفاظتی پرت کو کنٹرول کیا جو Li اور خالص H3PO4 کے رد عمل سے بنتا ہے تاکہ ترمیم شدہ پرت اور دھاتی لتیم کے درمیان رابطے کے علاقے کو بڑھایا جا سکے اور دھاتی لتیم اور LGPS کے درمیان براہ راست رابطے سے بچ سکے۔ یہ مخلوط آئن الیکٹرانک چالکتا انٹرمیڈیٹ مرحلے کو LGPS کے اندرونی حصے میں گھسنے سے روکتا ہے اور سست انٹرفیس لیتھیم آئن ڈائنامکس کے مسئلے کو بہتر بناتا ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ LiH2PO4 میں ترمیم کے ذریعے، LGPS کی لتیم استحکام میں نمایاں بہتری آئی ہے، اور LCO/LGPS/LiH2PO{{10}Li آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری انتہائی طویل سائیکل فراہم کر سکتی ہے۔ زندگی اور اعلی صلاحیت. یعنی، 25 ڈگری اور 0.1 سینٹی گریڈ کی شرح پر، 500 ویں سائیکل کی الٹ جانے والی خارج ہونے کی صلاحیت 113.7 mA·h/g، برقرار رکھنے کی شرح 86.7% کے ساتھ رہتی ہے۔ Li/Li سڈول بیٹریاں 0.1 mA/cm2 کی موجودہ کثافت پر 950 گھنٹے سے زیادہ مستحکم طور پر سائیکل کر سکتی ہیں۔

Fig 3 Modification of the anode for all-solid-state lithium battery based on sulfide solid electrolyte

تصویر 3 سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری کے لیے انوڈ میں ترمیم

(2) دوسری تہہ کی حفاظت کے لیے ٹرانزیشن لیئر سلفائیڈ الیکٹرولائٹ کی ایک پرت استعمال کریں جو دھاتی لتیم پر مستحکم ہو۔ جیسا کہ شکل 3(b) میں دکھایا گیا ہے، Yao et al. [38] LGPS/Li انٹرفیس کے آئن کی ترسیل اور استحکام کو بہتر بنانے کے لیے LGPS/LPOS ڈبل لیئر الیکٹرولائٹ ڈھانچہ تجویز کیا۔ اور مختلف بیٹری سسٹمز میں اچھے نتائج حاصل کیے [39]، لیکن موٹی ڈبل لیئر الیکٹرولائٹ بیٹری کی مجموعی توانائی کی کثافت کو کم کر سکتی ہے۔ اسمبلی کا طریقہ یہ ہے کہ پہلے الیکٹرولائٹ کی ایک تہہ کو کولڈ پریس کریں، پھر اس کی سطح پر الیکٹرولائٹ کی ایک تہہ کو کولڈ پریس کریں، اور پھر مثبت اور منفی الیکٹروڈ کو اسٹیک کریں اور ایک ساتھ دباؤ ڈالیں۔

(3) الیکٹرولائٹ سطح (الیکٹرولائٹ/الیکٹروڈ انٹرفیس) پر سیٹو میں ایک ترمیمی پرت بنائیں۔ جیسا کہ شکل 3(c) میں دکھایا گیا ہے۔ گاو وغیرہ۔ [40] نامیاتی-غیر نامیاتی مخلوط لیتھیم نمکیات جیسے LiO-(CH2O)n-Li, LiF, -NSO{{ پیدا کرنے کے لیے LGPS/Li انٹرفیس میں 1 mol/L LiTFSI DOL-DME الیکٹرولائٹ ڈراپ وائز استعمال کیا گیا۔ 10}Li، اور Li2O۔ Li/LGPS/Li ہم آہنگ بیٹری کو 3000 h کے لیے 0.1 mA/cm2 پر مستحکم طور پر سائیکل کیا گیا۔ Chien et al. [41] نے مطالعہ کرنے کے لیے سالڈ سٹیٹ نیوکلیئر میگنیٹک امیجنگ کا استعمال کیا اور پایا کہ Li/LGPS/Li سڈول بیٹریوں کی سائیکلنگ کے بعد انٹرفیس Li نمایاں طور پر کھو گیا تھا، اور انٹرفیس Li کی کمی اور اس کے ناہموار جمع کو PEO-LiTFSI کوٹنگ کے ذریعے بہتر کیا جا سکتا ہے۔ . وانگ وغیرہ۔ [42] سالماتی پرت جمع کرنے کے ذریعے Li10SnP2S12 کی سطح پر پولیمر ایلوکون میں ترمیم کی۔ نتائج سے ظاہر ہوا کہ Sn4+ کی کمی کو نمایاں طور پر روکا گیا تھا۔ مندرجہ بالا طریقہ سلفائیڈ الیکٹرولائٹ اور لیتھیم میٹل اینوڈ کے درمیان ایک خاص حد تک مطابقت کو بہتر بناتا ہے، لیکن اس میں مسائل بھی ہوسکتے ہیں جیسے کہ الیکٹرولائٹ ٹپکنے کے اصول کو واضح نہیں کیا گیا ہے، اور پولیمر کا اضافہ تھرمل میں کمی کا باعث بنتا ہے۔ الیکٹرولائٹ کی استحکام.

3. سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری کا اسمبلی طریقہ

سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری کی اسمبلی کو بنیادی طور پر درج ذیل مراحل میں تقسیم کیا گیا ہے، جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ ① الیکٹرولائٹ کو دباؤ اور مولڈ کیا جاتا ہے۔ عام دبانے کا دباؤ 120 ~ 150 MPa ہے۔ ② مثبت الیکٹروڈ پریس سے بنتا ہے اور اسٹیل شیٹ کو موجودہ کلیکٹر کے طور پر منسلک کیا جاتا ہے۔ عام دباؤ 120 سے 150 ایم پی اے ہے۔ ③منفی الیکٹروڈ پریس سے بنتا ہے۔ لیتھیم دھات کے لیے، عمومی دباؤ 120-150 MPa ہے، اور گریفائٹ کے لیے، عمومی دباؤ 250-350 MPa ہے، اور ایک اسٹیل شیٹ کو موجودہ کلیکٹر کے طور پر منسلک کیا جاتا ہے۔ ④ بیٹری کے بولٹ کو سخت کریں۔ واضح رہے کہ ہائیڈرولک پریس میٹر پر موجود اشارے کو بیٹری کے مولڈ کی اصل شکل کے مطابق تبدیل کیا جانا چاہیے، اور اسی وقت، بیٹری کو اسمبلی کے دوران شارٹ سرکٹنگ سے روکنا چاہیے۔

Fig 4 Assembly method of all-solid-state lithium battery based on sulfide solid electrolyte

تصویر 4 سلفائیڈ ٹھوس الیکٹرولائٹ پر مبنی آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری کا اسمبلی طریقہ۔

sulfide solid-state battery

CUI Yanming. پروٹوٹائپ آل سالڈ سٹیٹ بیٹری الیکٹروڈ کی تیاری اور اسمبلی ٹیکنالوجی[J]۔توانائی ذخیرہ سائنس اور ٹیکنالوجی, 2021, 10(3): 836-847