लिथियम आयन बैटरी प्रौद्योगिकी के मूल सिद्धांत

लिथियम आयन बैटरियां वास्तव में उस तरह से बिजली "उत्पन्न" नहीं करतीं जिस तरह से अधिकांश लोग इसके बारे में सोचते हैं। वे जो करते हैं वह प्रतिवर्ती विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं, फिर जब बाहरी सर्किट करंट की मांग करता है तो इसे छोड़ देते हैं। इस बारे में भ्रम डिज़ाइन बैठकों में बहुत सामने आता है, खासकर जब कोई पहली बार बैटरी पैक का आकार जानने की कोशिश कर रहा हो।

डिस्चार्ज के दौरान दो चीजें होती हैं. सबसे पहले, लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट और विभाजक के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) से सकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) की ओर स्थानांतरित होते हैं। दूसरा, इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से एनोड से कैथोड तक प्रवाहित होते हैं, जो उपयोगी कार्य करते हैं। चार्जिंग के दौरान, आप बाहरी वोल्टेज लगाकर प्रक्रिया को उलट देते हैं जो आयनों और इलेक्ट्रॉनों को विपरीत दिशा में चलने के लिए मजबूर करता है।

एक सेल द्वारा उत्पन्न वोल्टेज पूरी तरह से आपके द्वारा चुनी गई इलेक्ट्रोड सामग्री और उनकी संबंधित विद्युत रासायनिक क्षमता पर निर्भर करता है। बिना किसी लोड के शेल्फ पर बैठा एक ताज़ा सेल अपना खुला सर्किट वोल्टेज दिखाएगा, जो आम तौर पर अधिकांश लिथियम आयन रसायन विज्ञान के लिए 3.6 से 3.7V के आसपास होता है, हालांकि यह संख्या आवेश की स्थिति और तापमान के आधार पर घूमती रहती है। एक बार जब आप लोड कनेक्ट करते हैं और करंट खींचना शुरू करते हैं, तो आंतरिक प्रतिरोध के कारण वोल्टेज कम हो जाता है। यह कितना गिरता है यह आपको कोशिका के स्वास्थ्य के बारे में बहुत कुछ बताता है।

Lithium Ion Battery Technology

सभी लिथियम आयन कोशिकाएं एक ही मूल संचालन सिद्धांत को साझा करती हैं, लेकिन रसायन शास्त्र व्यापक रूप से भिन्न होते हैं। कैथोड सामग्री मोटे तौर पर सेल की प्रदर्शन विशेषताओं {{1}ऊर्जा घनत्व, शक्ति क्षमता, चक्र जीवन, थर्मल स्थिरता और लागत को निर्धारित करती है।

स्तरित ऑक्साइड कैथोड पहले व्यावसायिक रसायन थे। सोनी ने उन्हें 1991 में LiCoO₂ (लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड) के साथ पेश किया, जिसका उपयोग अभी भी उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है जहां ऊर्जा घनत्व लागत या सुरक्षा मार्जिन से अधिक मायने रखता है। ये कोशिकाएँ कोशिका स्तर पर लगभग 150-200 Wh/kg पैक करती हैं। यद्यपि कोबाल्ट महंगा है, और रसायन 150 डिग्री से ऊपर अस्थिर हो जाता है। हमने दुरुपयोग की गई कोशिकाओं में 130 डिग्री से भी कम तापमान पर थर्मल रनवे की शुरुआत देखी है।

बेहतर सुरक्षा और कम लागत की चाहत ने 1990 के दशक के मध्य में LiMn₂O₄ (लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड) को जन्म दिया। मैंगनीज बहुत सस्ता है और स्पिनल संरचना स्वाभाविक रूप से अधिक स्थिर है। ये कोशिकाएँ तब तक नहीं भागेंगी जब तक आप आम तौर पर 250 डिग्री से आगे नहीं बढ़ जाते। अदला - बदली? ऊर्जा घनत्व 100-120 Wh/kg तक गिर जाता है, और मैंगनीज समय के साथ, विशेष रूप से ऊंचे तापमान पर, इलेक्ट्रोलाइट में घुल जाता है। चक्र जीवन प्रभावित होता है - आप क्षमता 80% से नीचे जाने से पहले शायद 300-700 चक्र देख रहे हैं।

LiFePO₄ (लिथियम आयरन फॉस्फेट) 2001 के आसपास दिखाई दिया और सुरक्षा वार्तालाप को बदल दिया। ओलिवाइन संरचना ऊष्मीय रूप से चट्टानी रूप से ठोस है; थर्मल रनवे 270 डिग्री से ऊपर होने तक नहीं होता है, और तब भी यह कम हिंसक होता है। चक्र जीवन उत्कृष्ट है-2,{6}} 80% क्षमता तक चक्र मानक है, और कुछ कोशिकाओं का परीक्षण 5,000 चक्रों से पहले किया गया है। नकारात्मक पक्ष वोल्टेज है: केवल 3.2V नाममात्र, और ऊर्जा घनत्व 90-120 Wh/kg तक सीमित है। इसके अलावा, फॉस्फेट पेटेंट की स्थिति वर्षों से गड़बड़ थी।

एनएमसी (लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड) और एनसीए (लिथियम निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड) "संतुलित" रसायन विज्ञान के रूप में उभरे। निकेल, मैंगनीज, और कोबाल्ट को विभिन्न अनुपातों में मिलाकर {{1}सामान्य अनुपात एनएमसी 111, 532, 622, और 811 हैं जहां संख्याएं सापेक्ष धातु सामग्री को इंगित करती हैं -आप प्रदर्शन को समायोजित कर सकते हैं। उच्च निकल सामग्री ऊर्जा घनत्व को 200-250 Wh/kg तक बढ़ा देती है, लेकिन थर्मल स्थिरता और चक्र जीवन की कीमत पर। एनएमसी 811 सेल 250 Wh/किग्रा तक पहुंच सकते हैं लेकिन अधिक सावधानीपूर्वक थर्मल प्रबंधन की आवश्यकता है।

एनोड पक्ष पर, ग्रेफाइट पहले दिन से ही मानक रहा है। सैद्धांतिक क्षमता 372 एमएएच/जी है, और वाणिज्यिक सेल आमतौर पर 340-360 एमएएच/जी प्राप्त करते हैं। चार्जिंग के दौरान लिथियम ग्राफीन परतों के बीच जुड़ जाता है, जिससे ग्रेफाइट की मात्रा लगभग 10% बढ़ जाती है। यह यांत्रिक तनाव साइकिल चलाने की क्षमता को कम करने में योगदान देता है।

सिलिकॉन एनोड अब लगभग पंद्रह वर्षों से "अगली बड़ी चीज़" रहे हैं। सिलिकॉन की सैद्धांतिक क्षमता ग्रेफाइट से दस गुना अधिक 4,200 एमएएच/जी है। समस्या यह है कि, लिथियम को अवशोषित करने पर सिलिकॉन 300% तक फैलता है। यह कुछ चक्रों के बाद एनोड को तोड़ देता है। वर्तमान दृष्टिकोण विस्तार को प्रबंधनीय बनाए रखने के लिए आमतौर पर 10% से नीचे सिलिकॉन सामग्री के साथ ग्रेफाइट मिश्रण का उपयोग करते हैं। फिर भी, पहले चक्र में अपरिवर्तनीय क्षमता हानि सिलिकॉन युक्त एनोड में 15% 25% होती है, जबकि शुद्ध ग्रेफाइट में 5-10% होती है।

अधिकतर लोग जब "बैटरी" के बारे में सोचते हैं तो संभवतः वे बेलनाकार कोशिकाएं ही होती हैं। 2000 के दशक की शुरुआत में लैपटॉप निर्माताओं द्वारा मानकीकृत किए जाने के बाद 18650 प्रारूप (18 मिमी व्यास, 65 मिमी लंबाई) सर्वव्यापी हो गया। टेस्ला ने प्रसिद्ध रूप से मूल रोडस्टर में उनमें से हजारों का उपयोग किया था। विशिष्ट 18650 क्षमता 2,000-3,500 एमएएच तक चलती है, यह रसायन विज्ञान पर निर्भर करता है और चाहे आप ऊर्जा या शक्ति के लिए अनुकूलन करते हों।

नया 21700 प्रारूप (21 मिमी × 70 मिमी) जिसे टेस्ला और पैनासोनिक ने संयुक्त रूप से विकसित किया है, प्रति सेल लगभग 50% अधिक ऊर्जा प्रदान करता है - 4,000-5,000 एमएएच अब आम है। बड़ा व्यास सक्रिय सामग्री और निष्क्रिय घटकों (वर्तमान संग्राहक, कैन, सुरक्षा उपकरण) के अनुपात को बढ़ाता है, जिससे पैक स्तर पर ऊर्जा घनत्व में सुधार होता है। विनिर्माण लाइनों को फिर से तैयार करना पड़ा, यही कारण है कि इसे अपनाने में थोड़ा समय लगा।

प्रिज़्मेटिक कोशिकाएँ ऑटोमोटिव उद्योग की बेहतर स्थान उपयोग की इच्छा से आईं। एक बॉक्स को सिलेंडरों से भरने और उस खाली स्थान को छोड़ने के बजाय, आप आयताकार कोशिकाएं बनाते हैं जो कुशलता से ढेर हो जाती हैं। ऑटोमोटिव-ग्रेड प्रिज्मीय सेल 20Ah से लेकर 100Ah क्षमता तक के होते हैं। पैकेजिंग के दृष्टिकोण से इन्हें थर्मल रूप से प्रबंधित करना आसान होता है क्योंकि आप कूलिंग प्लेटों को सीधे सपाट किनारों पर रख सकते हैं। इसका नकारात्मक पक्ष यह है कि आपके सभी अंडे कम टोकरियों में हैं। यदि एक बड़ी प्रिज्मीय कोशिका विफल हो जाती है, तो आप एक छोटी बेलनाकार कोशिका की तुलना में अधिक क्षमता खो देते हैं।

थैली कोशिकाएं धातु के डिब्बे को पूरी तरह से खत्म करके अंतरिक्ष दक्षता विचार को आगे ले जाती हैं। सेल को एक लचीली एल्यूमीनियम लैमिनेट थैली में सील कर दिया गया है। यह प्रिज्मीय कैन की तुलना में शायद 10{4}}15% वजन बचाता है, और प्रारूप बेहद लचीला है - आप उन्हें एप्लिकेशन के लिए आवश्यक किसी भी आकार या आकार में बना सकते हैं। ईवी निर्माता उन्हें पसंद करते हैं क्योंकि आप उन्हें सीधे कूलिंग प्लेटों में रख सकते हैं। कमजोरी यांत्रिक है: साइकिल चलाने के दौरान इलेक्ट्रोड प्रदूषण को रोकने के लिए उन्हें बाहरी संपीड़न की आवश्यकता होती है, और वे पंचर क्षति के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं।

Lithium Ion Battery Technology

विभाजक पर अधिक ध्यान नहीं दिया जाता है, लेकिन यह यकीनन सबसे महत्वपूर्ण सुरक्षा घटक है। यह एक पतली (आमतौर पर 16{3}}25 माइक्रोमीटर) छिद्रपूर्ण झिल्ली होती है जो लिथियम आयनों को गुजरने की अनुमति देते हुए एनोड और कैथोड को छूने से रोकती है। प्रारंभिक विभाजक एकल-परत पॉलीथीन (पीई) या पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) थे।

आधुनिक उच्च प्रदर्शन विभाजक त्रिपरत संरचनाओं का उपयोग करते हैं, आमतौर पर पीपी/पीई/पीपी। पीई परत का गलनांक पीपी (165 डिग्री) की तुलना में कम (135 डिग्री) होता है। यदि कोशिका अधिक गर्म होने लगती है, तो पीई पिघल जाता है और छिद्रों में भर जाता है, जिससे तापमान खतरनाक स्तर तक पहुंचने से पहले आयनिक परिवहन बंद हो जाता है। इसे थर्मल शटडाउन कहा जाता है, और थर्मल रनवे से पहले यह आपकी रक्षा की आखिरी पंक्ति है।

सिरेमिक से लेपित विभाजक एक और सुरक्षा मार्जिन जोड़ते हैं। विभाजक के एक या दोनों किनारों पर एल्यूमिना या अन्य सिरेमिक कणों की एक पतली (2{4}}4 माइक्रोमीटर) कोटिंग बहुलक पिघलने पर भी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखती है। कोटिंग इतनी छिद्रपूर्ण है कि आयनिक परिवहन जारी रहता है, लेकिन यह 150 डिग्री से ऊपर के तापमान पर भी इलेक्ट्रोड को शॉर्ट सर्किट होने से रोकता है। नकारात्मक पक्ष यह है कि लागत {{8}सिरेमिक -लेपित विभाजक मानक विभाजक की कीमत से 2-3× चलते हैं - और थोड़ा अधिक प्रतिबाधा।

सरंध्रता आमतौर पर 40{5}}50% चलती है। बहुत कम और आयनिक प्रतिरोध बढ़ जाता है, जिससे बिजली क्षमता सीमित हो जाती है। बहुत अधिक और यांत्रिक शक्ति प्रभावित होती है। छिद्र आकार का वितरण भी मायने रखता है; गुरली संख्या (वायु पारगम्यता परीक्षण) एक मानक विशिष्टता है। अधिकांश ईवी-ग्रेड विभाजक 200-400 सेकंड/100 सीसी का लक्ष्य रखते हैं।

लिथियम आयन सेल में इलेक्ट्रोलाइट आपके विचार से कहीं अधिक जटिल है। बेस फॉर्मूलेशन आम तौर पर 95%+ कोशिकाओं में लिथियम नमक {{1}LiPF₆ (लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट) होता है जो कार्बनिक कार्बोनेट के मिश्रण में घुल जाता है। सामान्य सॉल्वैंट्स में एथिलीन कार्बोनेट (ईसी), डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी), डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी), और एथिल मिथाइल कार्बोनेट (ईएमसी) शामिल हैं।

LiPF₆ सांद्रता आमतौर पर 1.0 से 1.2 M (मोलर) के आसपास होती है। उच्च सांद्रता एक बिंदु तक आयनिक चालकता में सुधार करती है, लेकिन 1.3 एम या उससे अधिक के बाद आपको कम तापमान पर नमक की वर्षा होने लगती है। LiPF₆ में समस्याएँ हैं {{5}यह नमी के प्रति संवेदनशील है{{6}और 60 डिग्री से ऊपर विघटित होना शुरू हो जाता है {{8}लेकिन LiBOB या LiFSI जैसे विकल्पों ने लागत या अन्य ट्रेडऑफ़ के कारण अभी तक इसे विस्थापित नहीं किया है।

कार्बोनेट विलायक मिश्रण को अनुप्रयोग के लिए तैयार किया जाता है। EC में उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक और अच्छे SEI बनाने के गुण हैं, लेकिन यह 36 डिग्री पर जम जाता है। कम तापमान के प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए आपको इसे डीएमसी या ईएमसी जैसे कम चिपचिपाहट वाले कार्बोनेट के साथ मिश्रित करने की आवश्यकता है। एक विशिष्ट सूत्रीकरण मात्रा के हिसाब से EC:DMC 1:1, या EC:EMC 3:7 हो सकता है। सटीक अनुपात मालिकाना हैं और बारीकी से संरक्षित हैं।

एडिटिव्स वह जगह हैं जहां असली रसायन शास्त्र जादू होता है। आधुनिक इलेक्ट्रोलाइट्स में वजन के अनुसार 2{2}}5% विभिन्न योजक होते हैं जो एसईआई गठन को संशोधित करते हैं, ओवरचार्ज को रोकते हैं, गैस उत्पादन को दबाते हैं, या उच्च तापमान स्थिरता में सुधार करते हैं। ग्रेफाइट एनोड पर एसईआई गुणवत्ता में सुधार के लिए 1-2% विनाइलीन कार्बोनेट (वीसी) लगभग सार्वभौमिक है। फ़्लुओरोएथिलीन कार्बोनेट (FEC) सिलिकॉन युक्त एनोड के लिए बेहतर काम करता है। ये यौगिक प्रारंभिक चार्जिंग चक्रों के दौरान अधिमानतः कम हो जाते हैं, जिससे एनोड पर एक सुरक्षात्मक परत बन जाती है जो आयनिक रूप से प्रवाहकीय होती है लेकिन इलेक्ट्रॉनिक रूप से इन्सुलेट होती है।

बाइफिनाइल या साइक्लोहेक्सिलबेन्जीन जैसे ओवरचार्ज प्रोटेक्शन एडिटिव्स 4.5V के आसपास पॉलिमराइज़ करना शुरू करते हैं, जिससे एक आंतरिक शंट बनता है जो वोल्टेज को आगे बढ़ने से रोकता है। यदि बीएमएस विफल हो जाता है तो यह आपको कुछ सुरक्षा प्रदान करता है, हालांकि इस पर निर्भर रहना स्पष्ट रूप से डिज़ाइन का सर्वोत्तम अभ्यास नहीं है।

एसईआई संभवतः लिथियम आयन बैटरी संचालन का सबसे कम समझा जाने वाला लेकिन सबसे महत्वपूर्ण पहलू है। पहले कुछ चार्जिंग चक्रों के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट घटक एनोड सतह के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे एक निष्क्रियता परत बनती है। यह परत महत्वपूर्ण है: इसे आयनिक रूप से प्रवाहकीय होना चाहिए (लिथियम आयनों को अंदर जाने देने के लिए) लेकिन इलेक्ट्रॉनिक रूप से इन्सुलेट करने वाला (आगे इलेक्ट्रोलाइट अपघटन को रोकने के लिए)। एसईआई संरचना एक गड़बड़ है -दर्जनों लिथियम लवण, कार्बनिक यौगिक और पॉलिमर सभी 10-100 एनएम मोटी परत में एक साथ मिश्रित होते हैं।

अच्छा एसईआई गठन 500 बार चक्र करने वाली कोशिका और 3,000 बार चक्र करने वाली कोशिका के बीच का अंतर है। समस्या यह है कि एसईआई स्थिर नहीं है। यह एनोड में आयतन परिवर्तन के दौरान टूट जाता है, जिससे ताजा सतह उजागर हो जाती है जो क्षति की मरम्मत के लिए अधिक इलेक्ट्रोलाइट और लिथियम की खपत करती है। यही कारण है कि जब आप सेल के साथ नरम व्यवहार कर रहे होते हैं तब भी साइकिल चलाने की क्षमता कम हो जाती है।

फॉर्मेशन साइक्लिंग एक महत्वपूर्ण विनिर्माण कदम है। प्रारंभिक एसईआई स्थापित करने के लिए कोशिकाएं नियंत्रित तापमान पर एक या अधिक धीमे चार्ज {{1}डिस्चार्ज चक्र से गुजरती हैं। फॉर्मेशन प्रोटोकॉल मालिकाना होते हैं, लेकिन सामान्य तौर पर प्रथम चक्र चार्जिंग दरें C/20 से C/10 होती हैं, और इस प्रक्रिया में 24-48 घंटे लग सकते हैं। निर्माता सबसे स्थिर एसईआई का उत्पादन करने के लिए गठन वोल्टेज सीमा, तापमान, बाकी अवधि और साइकलिंग पैटर्न को अनुकूलित करते हैं। यह गलत होने पर आपको जीवन चक्र की कीमत चुकानी पड़ती है।

कैलेंडर की उम्र बढ़ने की स्थिति में{{0}क्षमता में कमी, तब भी जब कोशिका वहीं पर बैठी हो{{1}काफी हद तक एक एसईआई घटना भी है। एसईआई चक्रीय लिथियम की खपत करते हुए, खुले सर्किट में धीरे-धीरे बढ़ रहा है। उच्च आवेश अवस्था और उच्च तापमान पर भंडारण इसमें तेजी लाता है। 100% एसओसी और 60 डिग्री पर संग्रहीत एक सेल एक वर्ष में 20% क्षमता खो सकता है, जबकि वही सेल 50% एसओसी और 25 डिग्री पर 3% खो सकता है।

लिथियम आयन कोशिकाएं ओवरचार्ज, ओवर{0}डिस्चार्ज और अनुचित तापमान पर चार्जिंग के प्रति संवेदनशील होती हैं। यही कारण है कि प्रत्येक मल्टी{2}}सेल बैटरी पैक को बीएमएस (बैटरी प्रबंधन प्रणाली) की आवश्यकता होती है।

मानक चार्जिंग विधि निरंतर चालू/स्थिर वोल्टेज (CC-CV) है। सीसी चरण के दौरान, आप अधिकांश कोशिकाओं के लिए एक निश्चित दर {{2}आम तौर पर 0.5C से 1C तक सेल में करंट धकेलते हैं, हालांकि कुछ उच्च शक्ति वाली कोशिकाएं 3C या अधिक को संभाल सकती हैं। सेल चार्ज होने पर वोल्टेज बढ़ता है। जब वोल्टेज ऊपरी सीमा तक पहुँच जाता है (अधिकांश रसायन विज्ञान के लिए 4.2V, एलएफपी के लिए 3.65V, कुछ उच्च ऊर्जा एनएमसी वेरिएंट के लिए 4.3V या 4.35V), तो आप सीवी मोड पर स्विच करते हैं। जैसे ही सेल पूर्ण चार्ज के करीब पहुंचता है, करंट कम हो जाता है, आमतौर पर जब करंट C/20 या C/50 से नीचे चला जाता है, तो कट जाता है।

फास्ट चार्जिंग अधिक जटिल है। उच्च चार्ज दरें एनोड पर लिथियम चढ़ाना तेज कर देती हैं, जो खतरनाक है। तेज़ी से सुरक्षित रूप से चार्ज करने के लिए, आपको यह समझने की ज़रूरत है कि वोल्टेज, करंट और तापमान लिथियम प्लेटिंग की शुरुआत की स्थितियों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।

मुद्दा यह है कि आप लिथियम प्लेटिंग को सीधे सीलबंद सेल में नहीं माप सकते। आपको इसका अनुमान अन्य संकेतों से लगाना होगा। एक दृष्टिकोण एनोड क्षमता बनाम लिथियम धातु संदर्भ को ट्रैक करना है। यदि एनोड क्षमता 0V बनाम Li/Li⁺ से नीचे चली जाती है, तो चढ़ाना हो रहा है। समस्या यह है कि अधिकांश व्यावसायिक कोशिकाओं में संदर्भ इलेक्ट्रोड नहीं होते हैं।

तेज़ चार्जिंग के दौरान तापमान में वृद्धि भी मायने रखती है। 2C पर चार्ज करने वाला सेल सक्रिय शीतलन के साथ भी अपने आंतरिक तापमान को परिवेश से 15{4}}20 डिग्री तक बढ़ा सकता है। ठंडे तापमान पर, यह वास्तव में सहायक होता है। एक ठंडे सेल (जैसे -10 डिग्री) की बिजली क्षमता बहुत कम होती है, लेकिन यदि आप इसे मध्यम दर (0.5C) पर चार्ज करके गर्म कर सकते हैं, तो प्रदर्शन में सुधार होता है। कुछ ईवी वास्तव में जानबूझकर ऐसा करते हैं: ठंड के मौसम में, ड्राइवर द्वारा त्वरण के लिए उच्च शक्ति की मांग करने से पहले वे बैटरी को गर्म करने के लिए एक संक्षिप्त हाई-करंट चार्ज पल्स चलाएंगे।

सेल संतुलन आवश्यक है क्योंकि श्रृंखला में सेल कभी भी पूरी तरह से मेल नहीं खाते हैं। विनिर्माण सहनशीलता, स्व-निर्वहन दरों में छोटे अंतर, और पूरे पैक में थर्मल ग्रेडिएंट वोल्टेज बहाव का कारण बनते हैं। यदि आप किसी श्रृंखला स्ट्रिंग को बिना संतुलन के चार्ज करते हैं, तो कुछ सेल दूसरों से पहले ऊपरी वोल्टेज सीमा तक पहुंच जाते हैं। मजबूत कोशिकाओं को कम चार्ज किया जाता है, कमजोर कोशिकाओं को अधिक चार्ज किया जाता है, और प्रदर्शन प्रभावित होता है।

निष्क्रिय संतुलन उच्च वोल्टेज कोशिकाओं से ऊर्जा निकालने के लिए प्रतिरोधकों का उपयोग करता है। यह सरल और सस्ता है लेकिन गर्मी के रूप में ऊर्जा बर्बाद करता है। सक्रिय संतुलन उच्च कोशिकाओं से निम्न कोशिकाओं में ऊर्जा स्थानांतरित करने के लिए डीसी - डीसी कनवर्टर्स या कैपेसिटर का उपयोग करता है। अधिक कुशल, अधिक जटिल, अधिक महंगा। 400V ईवी पैक के लिए, निष्क्रिय संतुलन से लगातार 50-100W की बर्बादी हो सकती है, जो ड्राइविंग पावर की तुलना में नगण्य है लेकिन समय के साथ बढ़ जाती है।

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लिथियम आयन सेल में ऊष्मा का उत्पादन तीन स्रोतों से होता है: अपरिवर्तनीय ऊष्मा (आंतरिक प्रतिरोध से जूल तापन), प्रतिवर्ती ऊष्मा (इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया का एन्ट्रापी परिवर्तन), और पार्श्व प्रतिक्रियाओं से ऊष्मा। निम्न से मध्यम C-दरों पर, प्रतिवर्ती ऊष्मा हावी होती है। उच्च C-दरों पर, अपरिवर्तनीय ऊष्मा हावी हो जाती है।

प्रतिवर्ती ताप शब्द दिलचस्प है क्योंकि यह एसओसी के आधार पर संकेत बदलता है। अधिकांश लिथियम आयन रसायन विज्ञान के लिए, चार्जिंग कम एसओसी पर गर्मी उत्पन्न करती है लेकिन उच्च एसओसी पर गर्मी को अवशोषित करती है। डिस्चार्ज करना इसके विपरीत कार्य करता है। क्रॉसओवर बिंदु आमतौर पर लगभग 50-60% एसओसी होता है। यही कारण है कि यदि करंट काफी कम है तो आप चार्जिंग के अंतिम चरण के दौरान वास्तव में सेल तापमान में गिरावट देख सकते हैं।

आंतरिक प्रतिरोध तापमान, एसओसी और उम्र बढ़ने के साथ बदलता रहता है। 25 डिग्री पर, एक ताजा 18650 सेल में 40{8}}60 मिलीओम डीसी प्रतिरोध हो सकता है। -20 डिग्री पर, यह 200-300 मिलीओम तक पहुंच सकता है। यही कारण है कि ठंड के मौसम में ईवी रेंज में इतनी नाटकीय रूप से गिरावट आती है। न केवल कम तापमान पर रसायन शास्त्र धीमा है, बल्कि आंतरिक प्रतिरोध बढ़ने का मतलब है कि बैटरी की अधिक ऊर्जा सेल के अंदर गर्मी के रूप में बर्बाद हो जाती है।

थर्मल रनवे थ्रेशोल्ड रसायन शास्त्र पर निर्भर करता है। एनएमसी कोशिकाओं के लिए, एक्सोथर्मिक अपघटन प्रतिक्रियाएं 180-220 डिग्री के आसपास शुरू होती हैं। एक बार शुरू होने पर, तापमान प्रति सेकंड 10-50 डिग्री तक बढ़ सकता है, 800 डिग्री या उससे अधिक तक पहुंच सकता है। एलएफपी अधिक सुरक्षित है; थर्मल रनवे शुरुआत 270 डिग्री + है और अधिकतम तापमान कम है।

एक झुंड में कोशिकाओं के बीच प्रसार वास्तविक खतरा है। यदि एक कोशिका थर्मल रनवे में चली जाती है, तो यह अपने पड़ोसियों को गर्म कर देती है। पड़ोसी कोशिकाएँ भी भाग जाएँगी या नहीं यह शीतलन क्षमता, कोशिका रिक्ति और इन्सुलेशन पर निर्भर करता है। यूएल 9540ए प्रसार परीक्षण एक कोशिका को थर्मल रनवे में मजबूर करके और आसन्न कोशिकाओं का पालन कर रहा है या नहीं इसकी निगरानी करके इसका अनुकरण करता है। अच्छे पैक डिज़ाइन में एक सेल या अधिकतम एक छोटे मॉड्यूल की विफलता शामिल होती है।

शीतलन रणनीतियाँ अलग-अलग होती हैं। वायु शीतलन सबसे सरल है {{1}सेल्स या पैक के ऊपर हवा उड़ाना। पीएचईवी या ऊर्जा भंडारण प्रणालियों जैसे कम बिजली घनत्व अनुप्रयोगों के लिए ठीक काम करता है। उच्च प्रदर्शन वाले ईवी के लिए तरल शीतलन आवश्यक है। अधिकांश डिज़ाइन ठंडी प्लेटों या कूलिंग चैनलों के माध्यम से 10-25 लीटर प्रति मिनट की दर से 50:50 पानी - ग्लाइकोल मिश्रण का उपयोग करते हैं। इनलेट तापमान आमतौर पर 20-35 डिग्री तक नियंत्रित किया जाता है। सबसे गर्म कोशिकाओं की त्वरित उम्र बढ़ने से बचने के लिए बैटरी पैक तापमान ग्रेडिएंट अधिकतम से न्यूनतम 5 डिग्री तक रहना चाहिए।

कुछ प्रायोगिक डिज़ाइन रेफ्रिजरेंट शीतलन, ढांकता हुआ तरल पदार्थ में विसर्जन शीतलन, या चरण {{0} परिवर्तन सामग्री का उपयोग करते हैं। रेफ्रिजरेंट को ठंडा करने से अधिक गर्मी बाहर निकल सकती है लेकिन इसके लिए अधिक जटिल एसी प्रणाली की आवश्यकता होती है। विसर्जन शीतलन में उत्कृष्ट ताप अंतरण गुणांक होते हैं (अप्रत्यक्ष तरल शीतलन के लिए 500-2,000 W/m²K बनाम 50-150 W/m²K) लेकिन सीलिंग और द्रव अनुकूलता चुनौतियां हैं। पीसीएम निष्क्रिय रूप से काम करते हैं लेकिन अंततः संग्रहीत गर्मी को अस्वीकार करने की आवश्यकता होती है, इसलिए वे मुख्य रूप से तेज चार्जिंग या हार्ड त्वरण के दौरान क्षणिक शीतलन में मदद करते हैं।

क्षमता में कमी और प्रतिबाधा वृद्धि दो मुख्य गिरावट तंत्र हैं। वे एक साथ होने वाली कई अलग-अलग भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं के कारण होते हैं।

एनोड पक्ष पर, एसईआई वृद्धि चक्रीय लिथियम और इलेक्ट्रोलाइट की खपत करती है, जिससे प्रतिरोध बढ़ता है। यदि सेल को कम तापमान पर चार्ज किया जाता है, तो ग्रेफाइट एक्सफोलिएशन हो सकता है {{1}लिथियम प्लेटों को ग्रेफाइट की सतह पर इंटरकैलेट करने के बजाय, और जब यह अंततः इंटरकैलेट होता है, तो यह ग्रेफाइट संरचना को अलग कर देता है। यह अक्सर अपरिवर्तनीय होता है. ऊंचे तापमान पर बाइंडर के विघटन से कणों के बीच विद्युत संपर्क टूट जाता है।

कैथोड क्षरण में संक्रमण धातु विघटन (विशेष रूप से एलएमओ में मैंगनीज या एनएमसी युक्त मैंगनीज), बार-बार लिथियम सम्मिलन/निष्कर्षण से संरचनात्मक परिवर्तन, और उच्च निकल कैथोड में सतह पुनर्निर्माण शामिल हैं। विघटित संक्रमण धातुएं एनोड में स्थानांतरित हो जाती हैं जहां वे एसईआई वृद्धि को उत्प्रेरित करती हैं, इसलिए कैथोड क्षरण अप्रत्यक्ष रूप से एनोड क्षरण को तेज करता है।

उच्च वोल्टेज और उच्च तापमान पर इलेक्ट्रोलाइट अपघटन और गैस उत्पादन बड़ी समस्याएं हैं। सामान्य गैसों में CO₂, CO और कार्बोनेट अपघटन से प्राप्त विभिन्न हाइड्रोकार्बन शामिल हैं। थैली कोशिकाओं में, आप थैली को स्पष्ट रूप से फूला हुआ देखेंगे। कठोर केस वाली बेलनाकार या प्रिज्मीय कोशिकाओं में, सुरक्षा वेंट खुलने तक (आमतौर पर 10-15 बार) दबाव बनता रहता है।

लिथियम इन्वेंट्री का नुकसान एक प्रमुख फीका तंत्र है। हर बार जब एसईआई बढ़ता है या एनोड पर लिथियम प्लेटें अपरिवर्तनीय रूप से बढ़ती हैं, तो कुछ लिथियम को चक्रीय लिथियम के पूल से बाहर निकाल लिया जाता है। अंततः आप समाप्त हो जाते हैं और क्षमता कम हो जाती है।

आंतरिक शॉर्ट्स से अचानक विफलताएं हो सकती हैं। अधिकांश शॉर्ट्स छोटे से शुरू होते हैं {{1}एक छोटा धातु कण विभाजक को छेद देता है, या लिथियम डेंड्राइट बढ़ता है। शॉर्ट एक हॉट स्पॉट बनाता है, जो स्थानीय स्तर पर गिरावट को तेज करता है, जिससे शॉर्ट बदतर हो जाता है, और आपको एक सकारात्मक फीडबैक लूप मिलता है। कभी-कभी कोशिका स्वयं ठीक हो जाती है यदि शॉर्ट स्वयं पिघलकर खुल जाए। अन्य समय में यह थर्मल रनवे की ओर बढ़ जाता है।

कील प्रवेश परीक्षण (आवेशित सेल के माध्यम से स्टील की कील को जबरदस्ती घुसाना) एक मानक दुरुपयोग परीक्षण है। एलएफपी कोशिकाएं आमतौर पर नाखून के प्रवेश से थर्मल रनवे में नहीं जाती हैं। एनएमसी कोशिकाएं अक्सर ऐसा करती हैं, हालांकि बेहतर विभाजक और कम विशिष्ट ऊर्जा वाले डिज़ाइन कभी-कभी पास हो सकते हैं।

चित्र 5 मध्यम साइकिलिंग स्थितियों (1C चार्ज/डिस्चार्ज, 25 डिग्री, 100% डीओडी) के तहत कई रसायन विज्ञान के लिए क्षमता प्रतिधारण बनाम चक्र संख्या को दर्शाता है।

आप सीधे तौर पर यह नहीं माप सकते कि लिथियम आयन सेल में कितनी ऊर्जा है। आपको इसका अनुमान अन्य मापों से लगाना होगा: वोल्टेज, करंट और तापमान।

सबसे सरल एसओसी आकलन विधि वोल्टेज-आधारित है। प्रत्येक रसायन शास्त्र में एसओसी वक्र बनाम एक विशिष्ट खुला सर्किट वोल्टेज होता है। सेल के कुछ देर आराम करने के बाद वोल्टेज को मापें (आंतरिक प्रतिरोध क्षय से क्षणिक वोल्टेज को कम होने देने के लिए), इसे OCV वक्र पर देखें, और आप SOC को जान लेंगे। समस्या यह है कि वास्तविक अनुप्रयोगों में आपके पास सेल को आराम करने के लिए शायद ही कभी समय मिलता है।

कूलम्ब गणना मानक दृष्टिकोण है। आप चार्ज को अंदर और बाहर ट्रैक करने के लिए समय के साथ करंट को एकीकृत करते हैं। यदि आप किसी ज्ञात एसओसी से शुरुआत करते हैं, तो आप किसी भी समय नए एसओसी की गणना कर सकते हैं। सटीकता आपके वर्तमान सेंसर (±0.5% सामान्य है) और वास्तविक क्षमता जानने पर निर्भर करती है। समय के साथ त्रुटियाँ बढ़ती जाती हैं, इसलिए आपको पूर्ण चार्ज या डिस्चार्ज चक्र करके समय-समय पर पुन: अंशांकन करने की आवश्यकता होती है।

मॉडल-आधारित विधियाँ सेल के समतुल्य सर्किट मॉडल या इलेक्ट्रोकेमिकल मॉडल का उपयोग करती हैं। आप टर्मिनल वोल्टेज और करंट को मापते हैं, उन्हें अपने मॉडल के माध्यम से चलाते हैं, और एसओसी सहित आंतरिक स्थिति निकालते हैं। विस्तारित कलमैन फ़िल्टर या समान राज्य पर्यवेक्षक आम हैं। ये दृष्टिकोण बहुत सटीक हो सकते हैं (±2% एसओसी त्रुटि) लेकिन इसके लिए अच्छे मॉडल और महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल संसाधनों की आवश्यकता होती है।

एसओएच अनुमान कठिन है क्योंकि आप गिरावट को मापने की कोशिश कर रहे हैं, जो धीमी और क्रमिक है। क्षमता में कमी और प्रतिबाधा वृद्धि आवश्यक रूप से एक दूसरे के साथ या चक्र गणना के साथ रैखिक रूप से सहसंबंधित नहीं होती है। एक सेल जिसे तेजी से बहुत अधिक चार्ज किया गया है, उसकी प्रतिबाधा उच्च हो सकती है, लेकिन केवल मध्यम क्षमता फीकी पड़ सकती है। एक सेल जिसे उच्च एसओसी/तापमान पर संग्रहीत किया गया है, उसकी क्षमता महत्वपूर्ण रूप से कम हो सकती है लेकिन अपेक्षाकृत कम प्रतिबाधा वृद्धि हो सकती है।

उद्योग अभ्यास क्षमता के आधार पर एसओएच को परिभाषित करना है: एक सेल अपनी मूल क्षमता के 80% पर 80% एसओएच पर है, और इसे अक्सर ईवी अनुप्रयोगों के लिए जीवन का अंत माना जाता है। सेल अभी भी काम करता है, लेकिन रेंज 20% कम हो गई है। ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए, कोशिकाओं का उपयोग 60-70% एसओएच तक किया जा सकता है।

कुछ बीएमएस समय-समय पर क्षमता की जांच करते हैं {{0}बैटरी को कम दर पर पूरी तरह से डिस्चार्ज करते हैं और मापते हैं कि कितनी ऊर्जा निकलती है। यह सटीक है लेकिन दखल देने वाला है (परीक्षण के दौरान बैटरी अनुपलब्ध है) और इसमें घंटों लग जाते हैं। अन्य दृष्टिकोण वोल्टेज वक्र, प्रतिबाधा माप, या कूलम्बिक दक्षता से अप्रत्यक्ष रूप से क्षमता का अनुमान लगाने का प्रयास करते हैं।

आंतरिक प्रतिरोध को वर्तमान पल्स को लागू करके और वोल्टेज प्रतिक्रिया को मापकर, या विभिन्न आवृत्तियों (इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी) पर एक छोटे एसी सिग्नल को इंजेक्ट करके मापा जा सकता है। ईआईएस बहुत अधिक जानकारी देता है लेकिन इसके लिए विशेष हार्डवेयर की आवश्यकता होती है जो वाणिज्यिक बीएमएस में शायद ही मौजूद होता है।

Lithium Ion Battery Technology

जब एक ईवी बैटरी जीवन के अंत (आम तौर पर मूल क्षमता का 70(4%)80%) तक पहुंच जाती है, तब भी यह कम मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए पूरी तरह कार्यात्मक होती है। स्थिर ऊर्जा भंडारण के लिए द्वितीय-जीवन बैटरी का उपयोग बढ़ रहा है।

अर्थशास्त्र पेचीदा है. आपको सेवानिवृत्त पैक का परीक्षण करना होगा, संभावित रूप से इसे फिर से बनाना होगा (बीएमएस, कूलिंग सिस्टम, या क्षतिग्रस्त मॉड्यूल को बदलना), इसे नए एप्लिकेशन के लिए प्रमाणित करना होगा, और वारंटी प्रदान करनी होगी। इस सब में पैसा खर्च होता है. दूसरे जीवन को सार्थक बनाने के लिए, नवीनीकृत पैक की लागत स्थिर अनुप्रयोग के लिए डिज़ाइन किए गए नए पैक की तुलना में काफी कम होनी चाहिए। यदि नवीनीकरण नए पैक की लागत के 40-50% से कम चलता है तो भी लागत टूट जाती है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप किसके विश्लेषण पर विश्वास करते हैं।

सेवानिवृत्त कोशिकाओं का परीक्षण करना गैर-तुच्छ है। एक मॉड्यूल में समानांतर श्रृंखला में सैकड़ों सेल हो सकते हैं। आप आसानी से उनका अलग-अलग परीक्षण नहीं कर सकते. आप मॉड्यूल को एक इकाई के रूप में परीक्षण कर सकते हैं, लेकिन एक खराब सेल स्वयं को छुपा सकता है। विनाशकारी परीक्षण के बिना कुछ गिरावट मोड का पता लगाना कठिन है। उत्तरदायित्व का प्रश्न भी है: यदि एक सेकेंड-लाइफ बैटरी में आग लग जाती है, तो कौन जिम्मेदार है?

पुनर्चक्रण जीवन पथ का अंतिम छोर है। वर्तमान में बड़े पैमाने पर रीसाइक्लिंग में पाइरोमेटालर्जी (गलाने) या हाइड्रोमेटालर्जी (रासायनिक लीचिंग) का उपयोग किया जाता है। पाइरोमेटालर्जी सरल लेकिन कम चयनात्मक है। आपको मिश्रित धातु मिश्र धातुएं मिलती हैं जिन्हें और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता होती है। हाइड्रोमेटालर्जी व्यक्तिगत धातुओं को उच्च शुद्धता पर पुनर्प्राप्त कर सकती है लेकिन इसके लिए अधिक चरणों की आवश्यकता होती है और रासायनिक अपशिष्ट उत्पन्न होता है।

रीसाइक्लिंग का अर्थशास्त्र धातु की कीमतों पर बहुत अधिक निर्भर करता है। कोबाल्ट मूल्यवान है (ऐतिहासिक रूप से लगभग $30-40/किग्रा, हालांकि कीमतें बेतहाशा बदलती रहती हैं), इसलिए समृद्ध रसायन कोबाल्ट का पुनर्चक्रण आर्थिक रूप से व्यवहार्य है। निकेल बड़े पैमाने पर पुनर्चक्रण के लायक है। मैंगनीज, लोहा और एल्युमीनियम कम मूल्य वाली धातुएँ हैं, इसलिए मुख्य रूप से इन्हें लैंडफिल से दूर रखने के लिए पुनर्चक्रण ही उचित है। लिथियम दिलचस्प है - यह प्रति किलोग्राम विशेष रूप से मूल्यवान नहीं है, लेकिन आपूर्ति की बाधाएं रिकवरी को आकर्षक बनाती हैं।

प्रत्यक्ष पुनर्चक्रण {{0}बैटरी को अलग करना और कैथोड या एनोड सामग्री को धातु के लवण में तोड़े बिना सीधे पुन: उपयोग करना{{1}एक गर्म अनुसंधान क्षेत्र है। यदि आप कैथोड पाउडर को प्रयोग करने योग्य रूप में पुनर्प्राप्त कर सकते हैं, तो आप कैथोड संश्लेषण की ऊर्जा और लागत बचाएंगे। चुनौतियों में सक्रिय सामग्री को वर्तमान संग्राहकों और बाइंडरों से अलग करना और इस तथ्य से निपटना शामिल है कि पुनर्नवीनीकरण सामग्री विभिन्न निर्माताओं, उम्र और रसायन शास्त्र से कोशिकाओं का मिश्रण है।