એલોય-પ્રકારની એનોડ સામગ્રી

ભવિષ્યની ડિઝાઇનલિથિયમ-આયન બેટરીશુદ્ધ ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં પ્લગ-અને સ્થિર ઊર્જા સંગ્રહ સિસ્ટમ્સ જેવા ઉચ્ચ-ઊર્જા-વપરાશ કરતા ઉપકરણોની માંગને પહોંચી વળવા સક્ષમ હોવા જોઈએ. વિકાસ હેઠળ નવલકથા એનોડ સામગ્રી માટે, ક્ષમતા એ મુખ્ય પ્રદર્શન સૂચકોમાંનું એક છે. વિવિધ પ્રતિક્રિયા પદ્ધતિઓના આધારે, ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતાઓ ધરાવતી કેટલીક ઉમેદવાર સામગ્રીમાં સિલિકોન (Si), જર્મેનિયમ (Ge), સિલિકોન મોનોક્સાઇડ (SiO), ટીન (Sn), અને તેના ઓક્સાઇડ (SnOz) નો સમાવેશ થાય છે, જેમાં લાક્ષણિક ક્ષમતાઓ 783 mA·g (SnOz માટે) થી 41/42 માટે સિલિકોન હોય છે. જો કે આ એલોય સામગ્રી પરંપરાગત ગ્રેફાઇટ (372 mA·bg) અને લિથિયમ ટાઇટેનેટ (LTO, 175 mA·Ng) ની તુલનામાં ઉચ્ચ વિશિષ્ટ ક્ષમતાના ફાયદાઓ દર્શાવે છે, તેમ છતાં ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન તેઓ જેમાંથી પસાર થાય છે તે વોલ્યુમમાં ફેરફાર અને પ્રારંભિક બદલી ન શકાય તેવી ક્ષમતાની ખોટ તેમના જીવનકાળને મર્યાદિત કરે છે. આ સમસ્યાઓને દૂર કરવા માટે, સંશોધકોએ વિવિધ વ્યૂહરચનાઓની શોધ કરી છે, જેમ કે નેનોસ્કેલમાં કણોનું કદ ઘટાડવું અને સક્રિય અથવા નિષ્ક્રિય મેટાલિક લિથિયમ ઘટકો ધરાવતી સંયુક્ત સામગ્રી સિસ્ટમો બનાવવાનો પ્રયાસ કરવો. આ પદ્ધતિઓ પૈકી, વાહક બફર સબસ્ટ્રેટ બનાવવા માટે એલોય સામગ્રી સાથે સક્રિય લિથિયમ ગોલ્ડનું સંયોજન ચક્રની કામગીરીમાં સુધારો કરવાની ક્ષમતા દર્શાવે છે. વધુમાં, નેનોવાયર અથવા નેનોટ્યુબ જેવા નેનોસ્ટ્રક્ચર્સના વિવિધ મોર્ફોલોજીનો ઉપયોગ કરવો એ પણ આદર્શ એનોડ સામગ્રી પ્રાપ્ત કરવા માટે એક અસરકારક અભિગમ સાબિત થયો છે જે ઉચ્ચ ક્ષમતા, સારા દરની કામગીરી અને લાંબી ચક્ર જીવનને જોડે છે.

Si--સિલિકોન-આધારિત એનોડ સામગ્રી

સિલિકોન-આધારિત એનોડ સામગ્રી મુખ્યત્વે શુદ્ધ સિલિકોન, સિલિકોન ઑક્સાઈડ અને સિલિકોન/કાર્બન સંયોજનોથી બનેલી હોય છે. તેમની ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા, પર્યાવરણીય મિત્રતા અને વિપુલ પ્રાકૃતિક અનામતને લીધે, તેઓને આગામી-જનરેશનની ઉચ્ચ-ઊર્જા-ઘનતા લિથિયમ-આયન બેટરી એનોડ માટે વ્યાપકપણે આદર્શ પસંદગી ગણવામાં આવે છે. લિથિયમ-આયન બેટરીમાં નેનોસ્કેલ સિલિકોન લાગુ કરવાની વિભાવના પ્રસ્તાવિત કરનાર ચીની વૈજ્ઞાનિકો વિશ્વમાં પ્રથમ હતા. ચીનના વિપુલ પ્રમાણમાં સિલિકોન સંસાધનો અને વિશ્વની-એલિમેન્ટલ સિલિકોનની અગ્રણી ઉત્પાદન ક્ષમતાને જોતાં, સિલિકોન{10}}આધારિત એનોડ સામગ્રી પર સંશોધન અને વિકાસના પ્રયાસો અને લિથિયમ-આયન બેટરીમાં તેનો ઉપયોગ ભવિષ્યના ઉચ્ચ બેટરી{12}}{13}}ની કી ટેક્નોલોજીમાં નિપુણતા મેળવવા માટે ખૂબ મહત્વ ધરાવે છે.

પરંપરાગત ગ્રેફાઇટ એનોડ સામગ્રીની તુલનામાં, સિલિકોન ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક વિશિષ્ટ ક્ષમતા (4211 mA·h/g) અને પ્રમાણમાં ઓછી વિસર્જન ક્ષમતા (0.5V) દર્શાવે છે. નોંધનીય રીતે, સિલિકોનનું ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ ગ્રેફાઇટ કરતા થોડું વધારે છે. આકૃતિ 5-9 સિલિકોન ક્રિસ્ટલની અંદર ચોક્કસ અણુ વ્યવસ્થાને દર્શાવે છે. ચાર્જિંગ દરમિયાન, એનોડ તરીકે સિલિકોનનો ઉપયોગ સપાટીના લિથિયમ પ્લેટિંગને ઘટાડી શકે છે, જેનાથી બેટરી સલામતીમાં સુધારો થાય છે. વધુમાં, સિલિકોન વિપુલ પ્રમાણમાં અને સસ્તું છે. જો કે, લિથિયમ{11}}આયન બેટરી એનોડ પર સિલિકોન લાગુ કરવું પણ કેટલાક પડકારો રજૂ કરે છે. સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી તરીકે, સિલિકોન નબળી વાહકતા ધરાવે છે. બહુવિધ ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર પછી, લિથિયમ-આયનના નિવેશ અને પ્રકાશન દ્વારા થતા નોંધપાત્ર વોલ્યુમ ફેરફારો સામગ્રીના ભંગાણ તરફ દોરી શકે છે, જે માળખાકીય સ્થિરતાને અસર કરે છે અને સંભવિતપણે વર્તમાન કલેક્ટરથી સક્રિય સામગ્રીને અલગ કરી શકે છે, જે બેટરીના ચક્ર જીવનને ગંભીર અસર કરે છે. વધુમાં, આ વોલ્યુમ વિસ્તરણ સિલિકોન સપાટી પર સ્થિર અને અસરકારક નક્કર-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SED) ફિલ્મની રચનામાં પણ અવરોધે છે. કાર્બન મેટ્રિક્સમાં શુદ્ધ સિલિકોન અથવા તેના સંયોજનોને એકસરખી રીતે વિખેરવાથી આ સમસ્યાઓને અમુક અંશે દૂર કરી શકાય છે: એક તરફ, તે સંયુક્ત સામગ્રીની એકંદર ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતાને સુધારે છે; બીજી બાજુ, કાર્બનની હાજરી સિલિકોન વોલ્યુમ ફેરફારોને કારણે થતા તણાવને દૂર કરવામાં મદદ કરે છે, ઇલેક્ટ્રોડ સ્ટ્રક્ચરને નુકસાન ઘટાડે છે; સાથે સાથે, કાર્બન SEI ફિલ્મની સ્થિર રચનાને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે. તેથી, સિલિકોન અને કાર્બનના ફાયદાઓને સંયોજિત કરતી સંયુક્ત સામગ્રીને આગામી-ઉચ્ચ પેઢીની-ઊર્જા-ઘનતાની લિથિયમ-આયન બેટરી માટે આદર્શ એનોડ ઉમેદવારોમાંની એક ગણવામાં આવે છે.

SiO

સિલિકોન ઉપરાંત, સિલિકોન મોનોક્સાઇડ (SiO) ને લિથિયમ-આયન બેટરી માટે ઉમેદવાર એનોડ સામગ્રી પણ ગણવામાં આવે છે કારણ કે તેની સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા 1600 mA·h/g થી વધુ છે. વધુમાં, લિથિયમ-ઓક્સિજન સંકલન ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન નાના વોલ્યુમ ફેરફારો અને ઓછી સક્રિયકરણ ઊર્જા સૂચવે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન સંભવિત વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાં SiO નું Si અને LiO માં રૂપાંતર શામેલ છે, ત્યારબાદ Li સાથે સિલિકોન-લિથિયમ એલોયની રચના; અથવા સિલિકોન-લિથિયમ એલોય અને LixSiO2 ની સીધી રચના. તે નોંધનીય છે કે શુદ્ધ ઘન SiO કોઈપણ તાપમાને થર્મોડાયનેમિકલી અસ્થિર છે અને તેથી અપ્રમાણસર પ્રતિક્રિયા દ્વારા ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં Si અને SiO2 માં વિઘટિત થઈ શકે છે. સિલિકોનની જેમ, SiO લિથિયમ દાખલ અને નિષ્કર્ષણ દરમિયાન નોંધપાત્ર વોલ્યુમ વિસ્તરણ અથવા સંકોચનમાંથી પસાર થાય છે. વધુમાં, SiO નબળી વાહકતા ધરાવે છે, જેના પરિણામે લિથિયમ-આયન પ્રવેશ અને બહાર નીકળવાના દરમાં ઘટાડો થાય છે. આ મુદ્દાઓને ઉકેલવા, ઉલટાવી શકાય તેવી ક્ષમતા વધારવા અને ચક્રની સ્થિરતા સુધારવા માટે, સંશોધકોએ વિવિધ વ્યૂહરચનાઓની શોધ કરી છે. આ પૈકી, કાર્બન કોટિંગ ટેકનોલોજી, SiO માં લિથિયમનું ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઘટાડો અને SiO કણોનું કદ ઘટાડવું એ ખાસ કરીને અસરકારક અભિગમો ગણવામાં આવે છે. ખાસ કરીને, જ્યારે નાના કણો અને કાર્બન કોટિંગ્સ સાથે જોડવામાં આવે છે, ત્યારે લિથિયમ આયનોના પ્રસારના માર્ગને અસરકારક રીતે ટૂંકાવી શકાય છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન અને આયન વહન કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થાય છે, જેનાથી ઉપરોક્ત પડકારોને દૂર કરવામાં આવે છે.

જી.ઇ

Liz2Ge5 સ્ટોઇકિયોમેટ્રિક રેશિયો પર તેની ઊંચી લિથિયમ સંગ્રહ ક્ષમતા (1623 mA·h/g) અને તેની ઉલટાવી શકાય તેવી લિથિયમ દાખલ અને નિષ્કર્ષણ પ્રક્રિયાને કારણે જર્મેનિયમે લિથિયમ-આયન બેટરી એનોડ સામગ્રી સંશોધનમાં નોંધપાત્ર ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે. જોકે જર્મેનિયમ સિલિકોન કરતાં વધુ ખર્ચાળ છે અને તેની ક્ષમતા થોડી ઓછી છે, તે નોંધપાત્ર ફાયદા ધરાવે છે, જેમ કે સિલિકોન કરતાં 10,000 ગણી વાહકતા અને માત્ર 0.67 eV નું બેન્ડ ગેપ. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે જર્મેનિયમમાં લિથિયમ આયનોનો ફેલાવો દર 360 ડિગ્રી પર સિલિકોન કરતાં 15 ગણો ઝડપી અને ઓરડાના તાપમાને 400 ગણો ઝડપી છે. આ ગુણધર્મો જર્મેનિયમને ઉત્તમ ઉચ્ચ-વર્તમાન ડિસ્ચાર્જ પ્રદર્શન અને ઉચ્ચ ચાર્જ પરિવહન કાર્યક્ષમતા આપે છે. આ ઉચ્ચ-પાવર પર્ફોર્મન્સ ખાસ કરીને એપ્લીકેશન માટે મહત્વપૂર્ણ છે કે જેને ઉચ્ચ-પર્ફોર્મન્સ પાવર આઉટપુટની જરૂર હોય છે, જેમ કે ઇલેક્ટ્રિક વાહનો. જો કે, સિલિકોનની જેમ, જર્મેનિયમ પણ 300% સુધી વોલ્યુમ વિસ્તરણની સમસ્યાનો સામનો કરે છે, જે લિથિયમ આયન બેટરીમાં તેના વ્યવહારુ ઉપયોગ માટે અવરોધ બની ગયું છે. નેનો પાર્ટિકલ્સ, નેનોવાયર્સ અથવા નેનોટ્યુબ્સ જેવી નેનોસ્ટ્રક્ચર ડિઝાઇનનો ઉપયોગ કરીને, વોલ્યુમ ફેરફારોની નકારાત્મક અસરને અસરકારક રીતે ઘટાડી શકાય છે, જેનાથી કુલોમ્બિક કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થાય છે. નોંધનીય છે કે સોલિડ-સ્ટેટ પાયરોલિસિસ જેવી સરળ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને જર્મેનિયમ નેનોપાર્ટિકલ-વાહક સબસ્ટ્રેટ કમ્પોઝિટની તૈયારી ઇલેક્ટ્રોડ્સના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રભાવને વધુ ઑપ્ટિમાઇઝ કરી શકે છે.

SnO2

ટીન ડાયોક્સાઇડ (SnO2), શરૂઆતમાં ફુજીફિલ્મ દ્વારા વિકસાવવામાં આવ્યું હતું, તેની ઊંચી સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા અને નીચા ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ (લગભગ 0.6 eV, LiLi ની સાપેક્ષે) લિથિયમ-આયન બેટરી માટે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તરીકે વ્યાપક ધ્યાન ખેંચ્યું છે. ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયા પ્રક્રિયામાં, તે પ્રથમ આંશિક રીતે બદલી ન શકાય તેવા પગલામાંથી પસાર થાય છે, જ્યાં SnO2 ને મેટાલિક ટીન (Sn) અને લિથિયમ ઓક્સાઇડ (LiO) માં ઘટાડી દેવામાં આવે છે; ત્યારબાદ, એક ઉલટાવી શકાય તેવું તબક્કો થાય છે, જેમાં ટીન-લિથિયમ એલોયની રચના અને વિઘટન સામેલ છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, SnO2 ના દરેક છછુંદર 8.4 મોલ લિથિયમ સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે, જે 1491 mA·h/g ની સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતાને અનુરૂપ છે. જો કે, પ્રારંભિક ઘટાડાની પ્રતિક્રિયાની નીચી ઉલટાવી શકાય તેવું જોતાં, પ્રાયોગિક એપ્લિકેશન્સમાં, અનુગામી એલોયિંગ/ડીલોયિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા ફાળો આપેલી અસરકારક ક્ષમતાને સામાન્ય રીતે ગણવામાં આવે છે{11}}લગભગ 783 mA·h/g-સામાન્ય રીતે, અને આ મૂલ્યનો ઉપયોગ S2 સામગ્રીની પ્રાયોગિક સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા તરીકે થાય છે. વધુમાં, ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન, આ સામગ્રી નોંધપાત્ર વોલ્યુમ વિસ્તરણ (200% થી વધુ)માંથી પસાર થાય છે, જે ગંભીર ક્ષમતા નુકશાન તરફ દોરી જાય છે. આ માટે, સંશોધકો SnO2 ની સાયકલિંગ સ્થિરતામાં સુધારો કરવા અને વિવિધ પદ્ધતિઓ દ્વારા વોલ્યુમ ફેરફારોને કારણે ઉલટાવી શકાય તેવું ક્ષમતા નુકશાન ઘટાડવા માટે સમર્પિત છે.