कॅथोड मटेरियल हा लिथियम आयनचा प्राथमिक स्त्रोत आहेलिथियम-आयन बॅटरी. चार्जिंग दरम्यान, लिथियम आयन कॅथोड सामग्रीच्या क्रिस्टल जाळीमधून काढले जातात आणि एनोड सामग्रीमध्ये प्रवेश करतात; डिस्चार्जिंग दरम्यान उलट होते. चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान कॅथोड सामग्रीची उलट क्षमता आणि व्होल्टेज पठार मोठ्या प्रमाणात लिथियम-आयन बॅटरीची ऊर्जा घनता निर्धारित करते. शिवाय, कॅथोड मटेरिअलमध्ये लिथियम, कोबाल्ट आणि निकेल सारख्या धातूंचा समावेश असल्यामुळे, लिथियम-आयन बॅटरीच्या किंमतीचा सर्वात महत्त्वाचा घटक बनतो.
उच्च उर्जेची घनता, उच्च आउटपुट व्होल्टेज, दीर्घ सेवा आयुष्य आणि फॅब्रिकेशनची सुलभता असलेली कॅथोड सामग्री विकसित करणे खूप महत्वाचे आहे. आदर्श कॅथोड सामग्रीने खालील मूलभूत अटी पूर्ण केल्या पाहिजेत.
(1) बॅटरीसाठी उच्च आउटपुट व्होल्टेज सुनिश्चित करून उच्च रेडॉक्स क्षमता आहे.
(2) उच्च बॅटरी क्षमता सुनिश्चित करून, शक्य तितक्या जास्त लिथियम आयन सामावून घेऊ शकतात.
(3) लिथियम आयन घालताना आणि काढताना, कॅथोड सामग्री त्याची संरचनात्मक स्थिरता टिकवून ठेवू शकते, अशा प्रकारे इलेक्ट्रोडचे दीर्घ चक्र आयुष्य सुनिश्चित करते.
(4) उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक आणि आयन चालकता आहे, ध्रुवीकरणाच्या प्रभावामुळे होणारी ऊर्जा हानी प्रभावीपणे कमी करते, ज्यामुळे बॅटरीची जलद चार्ज आणि डिस्चार्ज क्षमता सुनिश्चित होते.
(5) बॅटरीची ऑपरेटिंग व्होल्टेज श्रेणी इलेक्ट्रोलाइटच्या इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता श्रेणीमध्ये असावी, ज्यामुळे इलेक्ट्रोड सामग्री आणि इलेक्ट्रोलाइटमधील अनावश्यक रासायनिक प्रतिक्रिया कमी होईल.
(6) केवळ कमी खर्चाची आणि साधी संश्लेषण प्रक्रियाच नाही तर ती उच्च पर्यावरणीय मित्रत्व देखील दर्शविली पाहिजे.
शिवाय, कॅथोड सामग्रीने उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल आणि थर्मल स्थिरता देखील प्रदर्शित केली पाहिजे.
विद्यमान कॅथोड साहित्य मुख्यत्वे त्यांच्या क्रिस्टल संरचनेच्या फरकांवर आधारित तीन श्रेणींमध्ये विभागले जाऊ शकते: ① स्तरित रचना, जसे की लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LiCoO2) आणि तिरंगी सामग्री (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② ऑलिव्हिन रचना, जसे की लिथियम लोह फॉस्फेट (LiFePO4); ③ स्पिनल स्ट्रक्चर ऑक्साइड, जसे की लिथियम मँगनीज ऑक्साइड (LiMn2O4) आणि लिथियम निकेल मँगनीज ऑक्साइड (LiNi10.5Mn1.5O4). वेगवेगळ्या प्रकारच्या कॅथोड्समध्ये भिन्न ऊर्जा घनता, इलेक्ट्रोकेमिकल वैशिष्ट्ये आणि खर्च असतात, जे शेवटी त्यांना भिन्न फील्ड आणि अनुप्रयोग परिस्थितीसाठी योग्य बनवतात. स्तरित संरचना कॅथोड मटेरिअल म्हणजे स्तरीय मायक्रोक्रिस्टलाइन रचना असलेल्या कॅथोड मटेरियलचा संदर्भ आहे, ज्यामध्ये प्रामुख्याने लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड, लिथियम निकेल कोबाल्ट मँगनीज ऑक्साइड आणि लिथियम-समृद्ध मँगनीज ऑक्साईड यांचा समावेश होतो. त्यापैकी, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड आणि लिथियम निकेल कोबाल्ट मँगनीज ऑक्साईड हे सध्या डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांमध्ये लिथियम-आयन बॅटरी आणि पॉवर लिथियम-आयन बॅटरीसाठी सर्वाधिक वापरले जाणारे कॅथोड साहित्य आहेत. ते उच्च उर्जा घनता, उत्कृष्ट सायकल कार्यप्रदर्शन आणि चांगली एकूण कामगिरी द्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत, परंतु निकेल, कोबाल्ट आणि मँगनीज यांसारख्या धातूंचे उच्च प्रमाण जास्त खर्चास कारणीभूत ठरते.
लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड कॅथोड सामग्री
लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LiCoO2) हे अमेरिकन शास्त्रज्ञ आणि रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक विजेते जेबी गुडइनफ यांनी शोधले होते आणि 1990 च्या दशकात जपानच्या सोनी कॉर्पोरेशनने प्रथम विक्री केली होती. आजही, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड सर्वात जास्त व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता असलेल्या कॅथोड सामग्रीपैकी एक आहे. या कारणास्तव, मोबाइल फोन, स्मार्टवॉच आणि ब्लूटूथ हेडसेट यासारख्या उच्च व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनतेची आवश्यकता असलेल्या डिजिटल पाउच सेल उत्पादनांमध्ये याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.
Lithium cobalt oxide (LiCoO2), as one of the earliest commercially available cathode materials, possesses a volumetric energy density unmatched by other cathode materials. Electrodes prepared from LiCoO2 can achieve a compaction density exceeding 4.2 g/cm², and a specific capacity of 185 mA·h/g at high voltage (>4.45V). शिवाय, LiCoO2 तुलनेने उच्च इलेक्ट्रॉनिक आणि आयनिक चालकता, उर्जा कार्यक्षमता आणि जलद-चार्जिंग वैशिष्ट्ये प्रदर्शित करते, सध्याच्या ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स बॅटरीच्या गरजा पूर्ण करते आणि अशा प्रकारे अनुप्रयोगांची विस्तृत श्रेणी आहे. या गुणधर्मांवर आधारित, LiCoO2 हे आजपर्यंतच्या सर्वोत्तम कॅथोड साहित्यांपैकी एक आहे.
लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईडच्या मुख्य संश्लेषण पद्धतींमध्ये उच्च-तापमान घन-अवस्था संश्लेषण, सोल-जेल संश्लेषण आणि कमी-तापमान संश्लेषण यांचा समावेश होतो. उच्च-तापमान घन-स्थिती संश्लेषणामध्ये लिथियम क्षार आणि कोबाल्ट-ऑक्साइड किंवा हायड्रॉक्साईड्सचे विशिष्ट स्टोइचिओमेट्रिक गुणोत्तरामध्ये मिश्रण करणे, नंतर विशिष्ट वेळेसाठी योग्य तापमानावर मिश्रण कॅलसिन करणे, त्यानंतर थंड करणे, पल्व्हराइज करणे आणि नमुना घेणे समाविष्ट आहे. जरी उच्च-तापमान घन-राज्य संश्लेषण पद्धत औद्योगिक उत्पादनात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जात असली तरी, ती वेळ घेणारी आहे-उच्च संश्लेषण तापमान आवश्यक आहे आणि लक्षणीय स्टोचिओमेट्रिक विचलनांसह मोठ्या, असमानपणे एकसंध पावडर तयार करते, परिणामी खर्चात लक्षणीय वाढ होते.
फॉस्फेट कॅथोड साहित्य
1997 मध्ये, Goodenough et al. लिथियम-आयन बॅटरीसाठी कॅथोड सामग्री म्हणून प्रथम प्रस्तावित लिथियम आयर्न फॉस्फेट (LiFePO4).
त्याच्या कमी किमतीमुळे, स्थिर रचना आणि उच्च सुरक्षिततेमुळे, ही सामग्री हळूहळू इलेक्ट्रिक बसेस आणि ऊर्जा साठवण प्रणालींमध्ये लिथियम-आयन बॅटरीसाठी पसंतीची कॅथोड सामग्री बनली आहे.
लिथियम आयर्न फॉस्फेट (LiFePO4) एक समान स्फटिक रचना आणि स्फटिक प्रणाली लोह फॉस्फेट (FePO4) सह सामायिक करते. याचा अर्थ असा की लिथियम-आयन घालताना/उत्कर्षादरम्यान सामग्रीमध्ये कमीत कमी आवाजात बदल होतो, ज्यामुळे आवाजाच्या विस्तारामुळे किंवा आकुंचनमुळे होणारे जाळीचे नुकसान प्रभावीपणे रोखले जाते. शिवाय, हे वैशिष्ट्य कण आणि प्रवाहकीय ऍडिटीव्ह यांच्यात चांगला विद्युत संपर्क सुनिश्चित करते, परिणामी सायकलची उत्कृष्ट स्थिरता आणि दीर्घ आयुष्य मिळते. याव्यतिरिक्त, लिथियम आयर्न फॉस्फेट त्याच्या पर्यावरण मित्रत्व, किंमत-प्रभावीता, उत्कृष्ट सुरक्षा, उच्च विशिष्ट क्षमता (अंदाजे 170 mA·h/g), आणि स्थिर चार्ज/डिस्चार्ज प्लॅटफॉर्मसाठी प्रसिद्ध आहे. या फायद्यांमुळे, लिथियम आयर्न फॉस्फेटला मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा संचयन अनुप्रयोगांमध्ये कॅथोड सामग्रीसाठी एक आदर्श पर्याय मानला जातो.
या पद्धतींमध्ये सोल-जेल प्रक्रिया, कॉप्रीसिपिटेशन तंत्र आणि हायड्रोथर्मल संश्लेषण यांचा समावेश होतो. विशेषतः, हायड्रोथर्मल संश्लेषण कच्चा माल म्हणून सहज उपलब्ध लोह, लिथियम आणि फॉस्फरस संयुगे वापरून, तापमान आणि दाब वाढवून ऑटोक्लेव्हमध्ये थेट लक्ष्य उत्पादन तयार करते. ही पद्धत त्याच्या साध्या ऑपरेशनसाठी, लहान आणि एकसमान कण आकारासाठी आणि कमी ऊर्जा वापरासाठी ओळखली जाते. तथापि, त्याला औद्योगिक उत्पादनासाठी मर्यादा आहेत, प्रामुख्याने विशेष डिझाइन केलेल्या दाब-प्रतिरोधक कंटेनरच्या गरजेमुळे. दुस-या बाजूला, कोपरेसिपिटेशन हे सोल्युशन सिस्टीममध्ये आयोजित केले जाते, जेथे एकाग्रता, तापमान नियंत्रण, pH समायोजन आणि ढवळण्याचा दर यासारख्या विविध घटकांमुळे पूर्ववर्ती आकारविज्ञान प्रभावित होते. अंतिम sintered LiFePO सामग्रीच्या कार्यप्रदर्शनामध्ये हे पॅरामीटर्स निर्णायक भूमिका बजावतात, प्रायोगिक परिस्थितीची काळजीपूर्वक निवड करणे महत्त्वपूर्ण आहे. या पद्धतीद्वारे तयार केलेल्या उत्पादनांमध्ये केवळ उत्कृष्ट सूक्ष्म संरचना वैशिष्ट्येच नाहीत (म्हणजे लहान आणि एकसमान कण आकार) पण ते उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक गुणधर्म देखील प्रदर्शित करतात; तथापि, हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की संपूर्ण ऑपरेशन प्रक्रिया तुलनेने गुंतागुंतीची आहे, आणि प्रक्रिया करताना गाळण्याची आव्हाने आणि कचरा व्यवस्थापन समस्या उद्भवू शकतात.
लिथियम मँगनीज ऑक्साईड आणि लिथियम-समृद्ध मँगनीज-आधारित कॅथोड सामग्री
लिथियम मँगनीज ऑक्साईड
लिथियम-आयन बॅटरी कॅथोड सामग्रीच्या संशोधनात, आणखी एक महत्त्वाची आणि व्यावसायिकदृष्ट्या उपलब्ध कॅथोड सामग्री म्हणजे स्पाइनल-संरचित लिथियम मँगनीज ऑक्साईड (LiMn₂O₄) कॅथोड सामग्री ठाकरे एट अल यांनी प्रस्तावित केली आहे. 1983 मध्ये. स्पिनल-संरचित लिथियम मँगनीज ऑक्साईड क्यूबिक क्रिस्टल सिस्टमशी संबंधित आहे. त्याची विशिष्ट रासायनिक रचना LiMn₂O₄ आहे. LiMn₂O₄ क्रिस्टल स्ट्रक्चरमध्ये, ऑक्सिजन चेहऱ्यावर-केंद्रित क्यूबिक क्लोज-पॅक्ड स्ट्रक्चरमध्ये असतो, तर मँगनीज आणि ऑक्सिजन एक अष्टाकृती रचना बनवतात, खाली दिलेल्या आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे.
मँगनीज निसर्गात मुबलक आहे, आणि स्पिनल-प्रकार लिथियम मँगनीज ऑक्साईड (LiMn2O4) तयार करण्याचे तंत्र विविध वैशिष्ट्ये प्रदर्शित करतात. सामग्रीचे संश्लेषण मार्ग आणि प्रक्रिया तंत्रज्ञान अंतिम उत्पादनाच्या सूक्ष्म संरचना आणि धान्य विकासावर थेट परिणाम करते. म्हणून, व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये इलेक्ट्रोड सामग्रीचे इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी या संश्लेषण प्रक्रियेस अनुकूल करणे महत्त्वपूर्ण आहे. सध्या, उद्योग आणि शैक्षणिक संस्था LiMn2O4 तयार करण्यासाठी दोन मुख्य प्रकारच्या पद्धती वापरतात: एक घन कच्चा माल यांच्यातील परस्परसंवादावर आधारित आहे, जसे की उच्च-तापमान घन-स्थिती प्रतिक्रिया, मायक्रोवेव्ह-सहायक संश्लेषण आणि वितळलेल्या मिठाच्या माध्यमात गर्भाधान उपचार.
सोल-जेल तंत्रज्ञान, हायड्रोथर्मल संश्लेषण आणि कॉप्रेसिपिटेशन तंत्रांसह विशिष्ट उदाहरणांसह, दुसऱ्या श्रेणीमध्ये द्रव वातावरणात रासायनिक परिवर्तन समाविष्ट आहे. LiMnzO4 ने त्याच्या किमतीचा फायदा, उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता, मजबूत ओव्हरचार्ज प्रतिरोध आणि चांगल्या पर्यावरणीय फायद्यांमुळे व्यापक लक्ष वेधून घेतले आहे. तथापि, या सामग्रीमध्ये सायकलिंग आणि स्टोरेज कामगिरीमध्ये कमतरता आहेत, विशेषत: उच्च तापमानात, जेथे त्याचे सायकलिंग कार्यप्रदर्शन लक्षणीयरीत्या खराब होते, ज्यामुळे अपरिवर्तनीय क्षमता कमी होते.
लिथियम-समृद्ध मँगनीज-आधारित
लिथियम मँगनीज ऑक्साईड व्यतिरिक्त, स्तरित लिथियम-समृद्ध मँगनीज-आधारित सामग्रीने लिथियम-आयन बॅटरीसाठी उदयोन्मुख कॅथोड सामग्री म्हणून व्यापक लक्ष वेधले आहे.
लिथियम-समृद्ध मँगनीज-आधारित कॅथोड सामग्रीसाठी तयार करण्याच्या पद्धतींमध्ये घन-राज्य पद्धती, सोल-जेल पद्धती आणि सह-पर्जन्य पद्धतींचा समावेश होतो. सॉलिड-स्टेट पद्धतीमध्ये मेटल ऑक्साईड्स आणि मेटल कार्बोनेट किंवा मेटल हायड्रॉक्साईड्स एका विशिष्ट प्रमाणात थेट मिसळणे समाविष्ट असते, त्यानंतर उच्च-तपमान घन-स्तरित लिथियम-समृद्ध सामग्री मिळविण्यासाठी राज्य प्रतिक्रिया असते. सॉलिड-स्टेट पद्धतीचे फायदे मोठ्या प्रमाणात स्तरित लिथियम-समृद्ध सामग्रीचे संश्लेषण करण्याची क्षमता, त्याची तुलनेने सोपी तयारी पद्धत आणि त्याची कमी किंमत आहे. तोटे म्हणजे सॉलिड-स्टेट सिंटरिंग दरम्यान घनाचा खराब प्रसरण गुणांक, आणि वस्तुस्थिती आहे की भिन्न संक्रमण धातूंचे घन{15}}विक्रियेत भिन्न प्रसार दर असतात, ज्यामुळे कणांना पुरेशा प्रमाणात विसर्जन करणे कठीण होते. म्हणून, संश्लेषित सामग्रीची एकसमानता खराब आहे, ज्यामुळे कॅथोड सामग्रीच्या कार्यक्षमतेवर परिणाम होतो. सोल-जेल पद्धतीमध्ये प्रथम सोल तयार करण्यासाठी इंटिग्रेटरमध्ये संक्रमण धातूचे मीठ द्रावण जोडणे, नंतर ते जेल बनविण्यासाठी पाण्याचे बाष्पीभवन करणे आणि शेवटी स्तरित लिथियम-समृद्ध सामग्री मिळविण्यासाठी ते कोरडे करणे आणि कॅल्सीन करणे समाविष्ट आहे. या पद्धतीमुळे एकसमान वितरण आणि उच्च शुद्धता असलेली सामग्री मिळते आणि उत्पादित इलेक्ट्रोड्स चांगले इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यप्रदर्शन प्रदर्शित करतात. तथापि, त्याच्या कमतरतांमध्ये एक लांब फॅब्रिकेशन सायकल, असंख्य इंटिग्रेटर्सची आवश्यकता (सेंद्रिय ऍसिड किंवा इथिलीन ग्लायकोल) यांचा समावेश होतो, परिणामी उच्च खर्च येतो. शिवाय, उत्पादित स्तरित लिथियम{{23}समृद्ध साहित्य हे कमी वास्तविक घनतेसह बहुतेक सूक्ष्म नॅनो/मायक्रॉन कण असतात. त्यामुळे, ही पद्धत सध्या प्रामुख्याने लेयर्ड लिथियम- समृद्ध सामग्री तयार करण्यासाठी प्रयोगशाळेच्या सेटिंग्जमध्ये वापरली जाते आणि तिचे व्यावसायिकीकरण करणे कठीण आहे.
उच्च-निकेल कॅथोड सामग्री
कॅथोड विकसित करताना संशोधकांनी दीर्घकाळापासून उच्च-तापमान स्थिरता आणि उत्कृष्ट दर कामगिरीची प्राथमिक उद्दिष्टे शोधली आहेत
लिथियम-आयन बॅटरीसाठी साहित्य. तीन प्रमुख मटेरियलपैकी - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), आणि LiFePO₄ - NCM हे सर्वात आशादायक कॅथोड मटेरियल मानले जाते कारण त्याची तुलनेने उच्च विशिष्ट क्षमता, तुलनेने कमी कच्चा माल आणि LiO₂ पर्यावरणाच्या तुलनेत उत्तम सुरक्षितता आणि उत्तम सुरक्षितता किंमत. पारंपारिक साहित्यापेक्षा किमतीचे फायदे.
या प्रकारची सामग्री समान -NaFeO₂-प्रकारची स्तरित क्रिस्टल रचना आहे आणि ती R-3m अंतराळ गटाशी संबंधित आहे. ही संकल्पना प्रथम लिऊ एट अल यांनी मांडली होती. 1999 मध्ये. हे तीन कॅथोड मटेरियल - लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LiCoO₂), लिथियम निकेल ऑक्साईड (LiNiO₂), आणि लिथियम मँगनीज ऑक्साईड (LiMnO₂) चे फायदे चतुराईने एकत्र करते - आणि प्रभावीपणे F56 मध्ये दर्शविलेल्या सामग्रीची भरपाई करते. संक्रमण धातू घटकांचे गुणोत्तर समायोजित करून, विशिष्ट क्षमता, सायकल कार्यप्रदर्शन, सुरक्षितता आणि किंमत यांच्यातील इष्टतम समतोल साधला जाऊ शकतो.
लिथियम निकेल कोबाल्ट मँगनीज ऑक्साईड (NCM) टर्नरी कॅथोड सामग्रीची स्फटिक रचना मूलतः LiCoO2 सारखीच असते, दोन्ही षटकोनी स्तरित संरचनेशी संबंधित असतात.
