लिथियम-आयन बॅटरी इलेक्ट्रोलाइटचा अर्थ?

◆जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स म्हणजे काय?

◆सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्सचा परिचय

इलेक्ट्रोलाइट, एक अपरिहार्य घटकलिथियम-आयन बॅटरी, बॅटरीच्या चार्ज-डिस्चार्ज सायकलमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते.

हे केवळ लिथियम आयनच्या कार्यक्षम वाहतूक आणि विद्युत् प्रवाहासाठी जबाबदार नाही, तर सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्समधील थेट इलेक्ट्रॉन प्रवाह प्रभावीपणे रोखण्यासाठी इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेशन गुणधर्म देखील आहेत. लाक्षणिकरित्या बोलायचे झाल्यास, इलेक्ट्रोलाइट हे लिथियम-आयन बॅटरीमधील "रक्त" सारखे असते, जे सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीमधील कनेक्टिव्हिटी सुनिश्चित करते, ज्यामुळे संपूर्ण चार्ज-विसर्जन प्रक्रियेच्या सुरळीत प्रगतीची हमी मिळते.

लिथियम-आयन बॅटरीसाठी आदर्श इलेक्ट्रोलाइटने खालील पाच आवश्यकता पूर्ण केल्या पाहिजेत:

बॅटरीची उर्जा घनता आणि उर्जेची घनता यांच्या वाढत्या मागणीसह, बॅटरी तंत्रज्ञान वेगाने विकसित होत आहे आणि इलेक्ट्रोड सामग्रीने प्रचंड प्रगती केली आहे. याउलट, इलेक्ट्रोलाइट प्रणालीचा विकास मागे पडला आहे. सध्या, लिथियम-आयन बॅटरी इलेक्ट्रोलाइट्सच्या विकासाचे तीन प्रकारांमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते: नॉन-जलीय विद्राव्य इलेक्ट्रोलाइट्स, जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स आणि घन-राज्य इलेक्ट्रोलाइट्स.

नॉन-जलीय सॉल्व्हेंट इलेक्ट्रोलाइट

 

लिथियम-आयन बॅटरीमधील जलीय विद्रावक इलेक्ट्रोलाइट्स नसलेल्या इलेक्ट्रोलाइट्सचा संदर्भ आहे ज्यामध्ये पाणी नसते, मुख्यतः सॉल्व्हेंट्स, विद्राव्य (सामान्यत: लिथियम क्षार) आणि ॲडिटिव्ह्जने बनलेले असते. पाण्याचे इलेक्ट्रोलिसिस किंवा इलेक्ट्रोड सामग्रीसह प्रतिकूल प्रतिक्रिया टाळण्यासाठी जलीय सॉल्व्हेंट्सऐवजी हे नॉन-जलीय सॉल्व्हेंट्स सामान्यत: सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्स असतात. लिथियम लवण हे लिथियम-आयन वाहतुकीचे प्राथमिक वाहक आहेत, सॉल्व्हेंट्स लिथियम क्षारांचे विरघळणे, फैलाव आणि समर्थन म्हणून काम करतात आणि ऍडिटीव्ह प्रामुख्याने लिथियम-आयन बॅटरीची इलेक्ट्रोकेमिकल कार्यक्षमता किंवा सुरक्षितता सुधारण्यासाठी कार्य करतात.

लिथियम-आयन बॅटर्यांमध्ये वापरण्यात येणारे व्यावसायिकरित्या उपलब्ध इलेक्ट्रोलाइट्स (म्हणजे, द्रव इलेक्ट्रोलाइट्स) प्रामुख्याने दोन किंवा अधिक सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्समध्ये विरघळलेल्या एक किंवा अधिक लिथियम क्षारांनी बनलेले असतात; एकाच सॉल्व्हेंटने बनलेले इलेक्ट्रोलाइट्स फार दुर्मिळ असतात. अनेक सॉल्व्हेंट्स वापरण्याचे कारण असे आहे की वास्तविक-जगातील बॅटरीमध्ये भिन्न, अगदी विरोधाभासी, आवश्यकता असतात ज्या एका सॉल्व्हेंटचा वापर करून पूर्ण करणे कठीण असते. उदाहरणार्थ, उच्च डायलेक्ट्रिक स्थिरता असताना इलेक्ट्रोलाइट्सना उच्च तरलता आवश्यक असू शकते; म्हणून, भिन्न भौतिक-रासायनिक गुणधर्म असलेले सॉल्व्हेंट्स बहुतेक वेळा एकत्रितपणे वापरले जातात, एकाच वेळी भिन्न वैशिष्ट्ये प्रदर्शित करतात. शिवाय, लिथियम क्षार सामान्यतः एकाच वेळी वापरले जात नाहीत कारण लिथियम क्षारांची निवड मर्यादित आहे आणि त्यांचे फायदे सहज दिसून येत नाहीत.

आदर्श सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्समध्ये खालील मुख्य गुणधर्म असणे आवश्यक आहे: प्रथम, लिथियम क्षारांचे चांगले विघटन सुनिश्चित करण्यासाठी त्यांना उच्च डायलेक्ट्रिक स्थिरांक आवश्यक आहे; दुसरे, इलेक्ट्रोलाइटची ऑपरेटिंग तापमान श्रेणी विस्तृत करण्यासाठी त्यांचा कमी वितळण्याचा बिंदू आणि उच्च उकळत्या बिंदू असावा; तिसरे, कमी स्निग्धता मध्यम मध्ये लिथियम आयनांचे कार्यक्षम स्थलांतर करण्यास मदत करते; आणि शेवटी, हे सॉल्व्हेंट्स स्वस्त आणि कमी विषारी असावेत (आदर्शतः गैर-विषारी). कार्बोनेट संयुगे, लिथियम-आयन बॅटरी उद्योगातील सर्वात जुने आणि मोठ्या प्रमाणात वापरल्या जाणाऱ्या सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सपैकी एक म्हणून, बॅटरी इलेक्ट्रोलाइट्सच्या क्षेत्रात महत्त्वपूर्ण स्थान व्यापतात.

सध्या, या प्रकारच्या सॉल्व्हेंटमध्ये प्रामुख्याने दोन स्ट्रक्चरल फॉर्म समाविष्ट आहेत: चक्रीय आणि साखळी. खालील सारणी अनेक सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या जलीय सॉल्व्हेंट्स, इलेक्ट्रोलाइट्स आणि सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सच्या संबंधित भौतिक पॅरामीटर्सचा सारांश देते.

सध्या, इलेक्ट्रोलाइट्समध्ये अल्काइल कार्बोनेट सॉल्व्हेंट्स मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. या सॉल्व्हेंट्समध्ये चांगला ऑक्सिडेशन प्रतिरोध असतो आणि उच्च व्होल्टेज परिस्थितीत उत्कृष्ट स्थिरता प्रदर्शित करतात. चक्रीय कार्बोनेट, जसे की इथिलीन कार्बोनेट आणि प्रोपीलीन कार्बोनेट, त्यांच्या उच्च डायलेक्ट्रिक स्थिरांकांसाठी ओळखले जातात, म्हणजे ते लिथियम लवण अधिक प्रभावीपणे विरघळवू शकतात; तथापि, मजबूत आंतरआण्विक शक्तींमुळे, या सॉल्व्हेंट्समध्ये उच्च स्निग्धता असते, ज्यामुळे त्यांच्यातील लिथियम आयनांची हालचाल मंदावते. याउलट, डायमिथाइल कार्बोनेट आणि डायथिल कार्बोनेट सारख्या साखळी कार्बोनेटमध्ये कमी स्निग्धता असताना देखील तुलनेने कमी डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असतात, परिणामी लिथियम क्षारांसाठी तुलनेने खराब विरघळण्याची कार्यक्षमता असते. म्हणून, उत्कृष्ट आयनिक चालकतेसह सोल्यूशन सिस्टम तयार करण्यासाठी, विविध प्रकारचे सॉल्व्हेंट्स अनेकदा मिसळले जातात, जसे की PC+DEC किंवा EC+DMC संयोजन. लिथियम क्षार, इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम आयनचा स्त्रोत म्हणून, लिथियम-आयन बॅटरीच्या चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान लिथियम-आयन आयन वाहतुकीत मोठी भूमिका बजावतात. त्यांची कार्यप्रदर्शन ऊर्जा घनता, उर्जा घनता, ऑपरेटिंग व्होल्टेज श्रेणी, सायकलचे आयुष्य आणि सुरक्षितता यासह लिथियम आयन बॅटरीच्या अनेक पैलूंवर थेट परिणाम करते. सध्या, प्रयोगशाळेतील संशोधन आणि औद्योगिक प्रॅक्टिसमध्ये, मोठ्या एनिओनिक त्रिज्या आणि उच्च रेडॉक्स स्थिरता असलेले लिथियम लवण विशेषत: निवडले जातात. त्यांच्या रासायनिक रचनेच्या आधारावर, लिथियम क्षारांचे मोठ्या प्रमाणावर दोन वर्गांमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते: अजैविक लिथियम क्षार आणि सेंद्रिय लिथियम क्षार. LiPF6, LiClO4, LIBF आणि LIASF सह अनेक अजैविक लिथियम लवण विकसित केले गेले आहेत. याउलट, लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सेंद्रिय लिथियम क्षारांची रचना या अजैविक लिथियम क्षारांच्या आयनांमध्ये इलेक्ट्रॉन जोडून तयार केली जाते-, जसे की लिथियम डायऑक्सॅलाटो-बोरेट (LiBOB), लिथियम डिफ्लुओरोऑक्सला (ओडीओबीओबी), लिथियम डायऑक्सॅलाटो ({19}}बोरेट) difluorosulfonylimide (LiFSI), आणि lithium ditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI). खालील तक्त्यामध्ये लिथियम-आयन बॅटरियांमध्ये सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या अनेक लिथियम क्षारांचे संबंधित भौतिक-रासायनिक गुणधर्म दाखवले आहेत.

ॲडिटीव्ह हे पदार्थ इलेक्ट्रोलाइटमध्ये कमी सांद्रतामध्ये (सामान्यत: 10% पेक्षा जास्त वस्तुमानाने) जोडले जातात ज्यात विशिष्ट कार्ये असतात आणि बॅटरीची इलेक्ट्रोकेमिकल वैशिष्ट्ये लक्षणीयरीत्या सुधारू शकतात. त्यांच्या कार्यांच्या आधारावर, या ऍडिटीव्हचे अनेक श्रेणींमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते: फिल्म-फॉर्मिंग ऍडिटीव्ह, फ्लेम रिटार्डंट्स आणि अतिरिक्त चार्जिंग टाळण्यासाठी ऍडिटीव्ह. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइट सोल्युशनमध्ये चालकता वाढविण्यासाठी, कमी-तापमानाच्या परिस्थितीत कार्यप्रदर्शन ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी किंवा ट्रेस प्रमाण आणि HF सांद्रता नियंत्रित करण्यासाठी ॲडिटीव्ह वापरले जातात.