लिथियम-आयन बैटरियों का परिचय
लिथियम-आयन बैटरियों का कार्य सिद्धांत
लिथियम-आयन बैटरी में मुख्य रूप से एक सकारात्मक इलेक्ट्रोड, एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड, एक इलेक्ट्रोलाइट होता है जो लिथियम आयनों का संचालन करता है, और एकसेपरेटरऔर आवरण जो सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड को अलग करता है। सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री आम तौर पर एक यौगिक है जो लिथियम आयनों के प्रतिवर्ती सम्मिलन और निष्कर्षण की अनुमति देता है, जैसे लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO₂), लिथियम निकल ऑक्साइड (LiNiO₂), लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn₂O₄), या टर्नरी सामग्री (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). इलेक्ट्रोलाइट लिथियम लवण (सामान्य लिथियम लवण में LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, आदि शामिल हैं) से बना होता है जो एक विशिष्ट विलायक (मुख्य रूप से एथिलीन कार्बोनेट (EC), डायथाइल कार्बोनेट (DEC), डाइमिथाइल कार्बोनेट (DMC), प्रोपलीन कार्बोनेट (PC), आदि का एक निश्चित अनुपात में मिश्रण) में घुल जाता है। विभाजक सामग्री आम तौर पर एक पॉलीओलेफ़िन राल होती है, जो आमतौर पर एकल परत या बहु परत पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) और पॉलीथीन (पीई) माइक्रोपोरस झिल्ली का उपयोग करती है, जैसे कि सेलगार्ड 2300 विभाजक। नकारात्मक इलेक्ट्रोड आम तौर पर लिथियम इंटरकलेशन में सक्षम सामग्रियों का उपयोग करता है, जैसे पेट्रोलियम कोक, शुद्ध ग्रेफाइट और स्तरित ग्रेफाइट मिश्रित कार्बन। नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में कार्बन (C₆) और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में संक्रमण धातु ऑक्साइड LiMeO₂ का उपयोग करके लिथियम आयन बैटरी में प्रतिक्रिया इस प्रकार है।
चार्जिंग के दौरान:
डिस्चार्ज के दौरान:
चार्जिंग के दौरान, लिथियम आयनों को सकारात्मक इलेक्ट्रोड से मुक्त किया जाता है और नकारात्मक इलेक्ट्रोड में डाला जाता है; डिस्चार्जिंग के दौरान, लिथियम आयनों को नकारात्मक इलेक्ट्रोड से मुक्त किया जाता है और सकारात्मक इलेक्ट्रोड में डाला जाता है। दूसरे शब्दों में, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान, लिथियम आयन एक रॉकिंग चेयर की तरह, सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच आगे और पीछे चलते हैं। इसलिए, लिथियम आयन बैटरियों को "रॉकिंग चेयर बैटरी" भी कहा जाता है। उनके कार्य सिद्धांत को चित्र 1.1 द्वारा दर्शाया जा सकता है।
सामान्य चार्ज और डिस्चार्ज स्थितियों के तहत, स्तरित कार्बन सामग्री और ऑक्साइड कणों के बीच या लिथियम आयन बैटरियों में परतों के बीच लिथियम आयनों का सम्मिलन और निष्कर्षण आम तौर पर केवल इंटरलेयर रिक्ति में परिवर्तन का कारण बनता है और क्रिस्टल संरचना को नुकसान नहीं पहुंचाता है। चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान, सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की रासायनिक संरचनाएं अनिवार्य रूप से अपरिवर्तित रहती हैं। इसलिए, चार्ज डिस्चार्ज प्रतिक्रिया की उत्क्रमणीयता के दृष्टिकोण से, बैटरी सामग्री में लिथियम आयनों का सम्मिलन और निष्कर्षण एक आदर्श प्रतिक्रिया प्रक्रिया है। इन विशेषताओं के आधार पर, लिथियम{{5}आयन बैटरियां निकेल{6}कैडमियम और निकेल{7}}मेटल हाइड्राइड बैटरियों की तुलना में प्रदर्शन में बेहतर हैं।
लिथियम-आयन बैटरी वर्गीकरण
लिथियम आयन बैटरियों को प्रयुक्त कैथोड सामग्री, उपस्थिति और आकार, सेल निर्माण विधि, पैकेजिंग प्रकार और अनुप्रयोग विशेषताओं के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है।
उपयोग की जाने वाली कैथोड सामग्री के आधार पर, लिथियम आयन बैटरियों को लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरी, लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड बैटरी, टर्नरी लिथियम बैटरी और लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी में विभाजित किया जा सकता है।
लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरियों का नाममात्र वोल्टेज 3.7V और ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज 2.4~4.2V है। लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरियों में एक स्थिर संरचना, उच्च विशिष्ट क्षमता और उत्कृष्ट समग्र प्रदर्शन होता है, लेकिन उनकी सुरक्षा खराब होती है और उनकी लागत अधिक होती है, मुख्य रूप से छोटे और मध्यम आकार की कोशिकाओं में उपयोग की जाती है। हाल के वर्षों में, उच्च वोल्टेज लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड सामग्री विकसित की गई है, जो बैटरी की ऊपरी सीमा वोल्टेज को 4.3V या 4.35V तक बढ़ा सकती है, जिससे बैटरी की क्षमता और ऊर्जा घनत्व में प्रभावी ढंग से सुधार हो सकता है। वर्तमान में, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरियों में उच्चतम वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व होता है, जो 550Wh/kg तक पहुंच जाता है, जो उन्हें हाईएंड मोबाइल फोन और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों को पावर देने के लिए एकमात्र विकल्प बनाता है।
लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (एमएमएएनओ) बैटरियों का नाममात्र वोल्टेज 3.8V और ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज 2.5V से 4.2V है। ओवरचार्ज प्रोटेक्शन वोल्टेज 4.28V ± 0.025V है, और ओवर{6}}डिस्चार्ज प्रोटेक्शन वोल्टेज 2.5V ± 0.1V है। MMANO बैटरियां कम लागत वाली और अच्छी सुरक्षा वाली होती हैं। हालाँकि, लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड सामग्री स्वयं अपेक्षाकृत अस्थिर है और अपघटन, गैस और सूजन पैदा करने वाली है। इसका चक्र जीवन अपेक्षाकृत तेजी से घटता है, इसका जीवनकाल अपेक्षाकृत कम होता है, और इसका उच्च तापमान प्रदर्शन खराब होता है। इसका उपयोग मुख्य रूप से पावर बैटरियों के निर्माण के लिए कम लागत वाले, मध्यम आकार वाले, मध्यम आकार के सेल्स में, बड़े आकार के सेल में किया जाता है।
टर्नरी लिथियम -आयन (टीएलसी) बैटरियों का नाममात्र वोल्टेज 3.6V और ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज 2.75V से 4.2V है। ओवरचार्ज प्रोटेक्शन वोल्टेज 4.28V ± 0.025V है, और ओवरचार्ज प्रोटेक्शन वोल्टेज 2.75V ± 0.1V है। टीएलसी बैटरियों का समग्र प्रदर्शन अच्छा है, ये लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (एलसीओ) से सस्ती हैं और बेहतर सुरक्षा प्रदान करती हैं। इनका उपयोग पावर बैटरियों में किया जा सकता है, और कैथोड सामग्री बाजार में उनकी हिस्सेदारी साल दर साल बढ़ रही है। टर्नरी लिथियम आयन सामग्री का उपयोग करने वाली छोटी लिथियम आयन बैटरियां धीरे-धीरे बाजार द्वारा स्वीकार की जा रही हैं। स्टील केस, एल्युमीनियम केस, पॉलीमर और बेलनाकार लिथियम आयन बैटरी में उपयोग के लिए टर्नरी सामग्री को लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड और लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड के साथ मिश्रित किया जा सकता है, जो बैटरी की लागत को काफी कम कर सकता है और समग्र प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। वर्तमान में, टर्नरी सामग्री बैटरियां 180 Wh/kg (26650 स्टील - केस वाली बैटरियां 90 ग्राम वजन के साथ 4600 mAh/kg की क्षमता तक पहुंच सकती हैं) की ऊर्जा घनत्व प्राप्त कर सकती हैं, जो लागत प्रभावशीलता में स्पष्ट लाभ प्रदान करती हैं।
लिथियम आयरन फॉस्फेट (एलएफपी) बैटरियों का नाममात्र वोल्टेज 3.2V और ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज 2.5~3.75V है। ओवरचार्ज प्रोटेक्शन वोल्टेज 3.75V±0.025V है, और ओवर{6}}डिस्चार्ज प्रोटेक्शन वोल्टेज 2.5V±0.1V है। एलएफपी बैटरियों का सबसे बड़ा लाभ सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की स्थिरता और गैर-विघटन है, जो उन्हें अन्य सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री प्रणालियों की तुलना में अद्वितीय सुरक्षा प्रदान करता है। एलएफपी बैटरियों का चक्र लंबा होता है, वे संसाधनों से भरपूर होती हैं और पर्यावरण के अनुकूल होती हैं। हालाँकि, उनके पास कम डिस्चार्ज प्लेटफ़ॉर्म और ख़राब कम तापमान वाला प्रदर्शन है।
दिखावट और आकार के आधार पर, लिथियम आयन बैटरियों को बेलनाकार बैटरियों और प्रिज्मीय बैटरियों आदि में विभाजित किया जा सकता है।
सेल निर्माण विधि के आधार पर, लिथियम आयन बैटरियों को घाव वाली बैटरी (बेलनाकार घाव और सपाट घाव), स्टैक्ड बैटरी आदि में विभाजित किया जा सकता है।
पैकेजिंग सामग्री के प्रकार के आधार पर, लिथियम {{0}आयन बैटरियों को स्टील {{1}केस्ड बैटरियों, एल्युमीनियम{2}केस्ड बैटरियों, प्लास्टिक{3}केस्ड बैटरियों, सॉफ्ट-पैक बैटरियों आदि में विभाजित किया जा सकता है।
अनुप्रयोग विशेषताओं के आधार पर, लिथियम {{0}आयन बैटरियों को उच्च तापमान वाली बैटरी, निम्न तापमान वाली बैटरी, पावर बैटरी और क्षमता वाली बैटरी आदि में विभाजित किया जा सकता है।
उनके अनुप्रयोग क्षेत्रों के आधार पर, लिथियम आयन बैटरियों को इस प्रकार वर्गीकृत किया जा सकता है: बैकअप बैटरी, पावर बैटरी और ऊर्जा भंडारण बैटरी।
लिथियम-आयन बैटरियों के अनुप्रयोग
यह कहा जा सकता है कि बैटरी के आविष्कार के बाद से, किसी अन्य बैटरी उत्पाद का इतनी तेजी से और व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया है जितना कि लिथियम आयन बैटरी का। कंप्यूटर सीपीयू के लिए घड़ी की बिजली आपूर्ति से लेकर ऑटोमोबाइल और पनडुब्बियों में उपयोग किए जाने वाले बड़े लिथियम आयन बैटरी पैक तक, क्षमता में 10 मिलियन गुना से अधिक का अंतर है। इनका दैनिक जीवन, चिकित्सा उपकरण, इलेक्ट्रिक वाहन, ऊर्जा भंडारण बिजली स्टेशन, एयरोस्पेस और सेना में व्यापक अनुप्रयोग है।
लोकप्रियता के 10 से अधिक वर्षों के बाद, लिथियम आयन बैटरियां मोबाइल फोन और लैपटॉप जैसे डिजिटल उत्पादों में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एकमात्र बिजली प्रणाली बन गई हैं। उनकी उच्च विशिष्ट ऊर्जा के कारण, उनका व्यापक रूप से बिजली उपकरण, इलेक्ट्रिक साइकिल, इलेक्ट्रिक बसें, पवन और सौर ऊर्जा भंडारण पावर स्टेशन, मोबाइल संचार बेस स्टेशन, खनन लैंप बिजली आपूर्ति, खनन बचाव कैप्सूल बिजली आपूर्ति, सैन्य व्यक्तिगत सैनिक बिजली आपूर्ति, रेडियो, उपग्रह बैटरी और कई अन्य अनुप्रयोगों में भी उपयोग किया जाता है। आंकड़ों के अनुसार, 2011 में, चीन के लिथियम बैटरी उद्योग का बाजार आकार 39.7 बिलियन युआन तक पहुंच गया, जो कि 43% की वार्षिक वृद्धि थी, और लिथियम बैटरी का वार्षिक उत्पादन 2.97 बिलियन यूनिट तक पहुंच गया, जो कि प्रति वर्ष 28.6% की वृद्धि थी। लिथियम बैटरी उद्योग राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था की एक महत्वपूर्ण औद्योगिक दिशा बन गया है।
