લિથિયમધાતુના એનોડ્સમાં અત્યંત ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક વિશિષ્ટ ક્ષમતા (3860 mA·bg) અને સૌથી ઓછી વિદ્યુતરાસાયણિક ક્ષમતા (-3.040 V (vs. SHE)) હોય છે, જે તેમને ઘણી ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીમાં "હોલી ગ્રેઇલ" ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ગણવામાં આવે છે. લિથિયમ મેટલ બેટરીમાં લિથિયમ-સલ્ફર અને લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીનો સમાવેશ થાય છે. લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં આશરે 2600 W·h/kg ની ઉર્જા ઘનતા હોય છે, જ્યારે લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીમાં આશરે 3500 W·h/kgની ઉર્જા ઘનતા હોય છે, જે પરંપરાગત લિથિયમ બેટરી કરતા આશરે 7 અને 10 ગણી હોય છે.{1}} તેથી, લિથિયમ ધાતુની બેટરીને સૌથી વધુ આશાસ્પદ ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીઓમાંની એક ગણવામાં આવે છે અને આગલી પેઢીની બેટરી સિસ્ટમ્સ માટે ટોચના ઉમેદવાર તરીકે ગણવામાં આવે છે, જે નોંધપાત્ર ધ્યાન આકર્ષિત કરે છે. જો કે, લિથિયમ ડેંડ્રાઈટની સમસ્યાને કારણે, પ્રારંભિક લિથિયમ મેટલ બેટરીઓ માત્ર અમુક વિશિષ્ટ ક્ષેત્રોમાં જ લાગુ થઈ શકી હતી, અને તેમના વેપારીકરણમાં વિલંબ થયો છે.
રિચાર્જ કરી શકાય તેવી લિથિયમ મેટલ બેટરીની શોધ 1970ના દાયકાની શરૂઆતમાં થઈ હતી અને ઘડિયાળો, કેલ્ક્યુલેટર અને અન્ય ઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં તેનો વ્યાપક ઉપયોગ થતો હતો.
લિથિયમ મેટલ બેટરીનો ઉપયોગ વિદ્યુત ઉપકરણો અને પોર્ટેબલ તબીબી ઉપકરણોમાં વ્યાપકપણે થાય છે. જો કે, લિથિયમ ધાતુમાં કેટલીક ખામીઓને કારણે તેમનું વ્યાપારીકરણ અવરોધાયું છે. સામયિક કોષ્ટકના જૂથ 1 ના સભ્ય તરીકે, લિથિયમ પરમાણુઓ તેમના સૌથી બહારના શેલમાં માત્ર એક ઇલેક્ટ્રોન ધરાવે છે, જે તેમને અત્યંત રાસાયણિક રીતે પ્રતિક્રિયાશીલ બનાવે છે કારણ કે તેઓ સરળતાથી આ ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવે છે. જ્યારે કાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે લિથિયમ મેટલ તેની સપાટી પર સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SEI) નામની ફિલ્મ બનાવે છે. આ ફિલ્મનું મુખ્ય કાર્ય લિથિયમ ધાતુને ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી અલગ કરવાનું છે, જે લિથિયમના વધુ કાટને અટકાવે છે. જો કે, ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન લિથિયમ મેટલના નોંધપાત્ર વોલ્યુમ ફેરફારને કારણે, SEI ફિલ્મ વારંવાર ફાટી જાય છે. ખુલ્લી તાજી લિથિયમ ધાતુની સપાટી નવી SEI ફિલ્મ બનાવવા માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે ફરીથી પ્રતિક્રિયા આપે છે. આ પ્રક્રિયા માત્ર તિરાડો સાથે લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ્સના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપે છે પરંતુ તે બેટરીની અંદર વિભાજકમાં પણ પ્રવેશ કરી શકે છે, જેના કારણે શોર્ટ સર્કિટ થાય છે. જ્યારે શોર્ટ સર્કિટ થાય છે, ત્યારે બેટરીની અંદર મોટી માત્રામાં ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે, જે આત્યંતિક કિસ્સામાં કમ્બશન અથવા વિસ્ફોટ તરફ દોરી જાય છે, જે લિથિયમ મેટલ બેટરીની સલામતી કામગીરી અને વેચાણક્ષમતાને ગંભીરપણે અસર કરે છે. વધુમાં, લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ્સની સંખ્યામાં વધારો થતાં, તેઓ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે સંપર્કમાં આવવા માટે વધુ તકો પ્રદાન કરે છે, જેનાથી બાજુની પ્રતિક્રિયાઓના દરને વેગ મળે છે. આ બદલી ન શકાય તેવી પ્રક્રિયાઓ ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો ઉપયોગ કરે છે, જે બેટરીની ઊર્જા ઘનતા અને કુલોમ્બિક કાર્યક્ષમતામાં ઘટાડો કરે છે. લાંબા સમય સુધી ઉપયોગ કર્યા પછી, ઘણા લિથિયમ ડેંડ્રાઇટ્સ નવી રચાયેલી SEI ફિલ્મમાં બંધ થઈ જાય છે, સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓમાં ભાગ લેવામાં અસમર્થ હોય છે; તે જ સમયે, સબસ્ટ્રેટની નજીકના લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ્સ ઝડપથી વિઘટિત થાય છે, જે "મૃત" લિથિયમનું કારણ બને છે, એટલે કે લિથિયમનો આ ભાગ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રીતે નિષ્ક્રિય બની જાય છે, એકંદર બેટરી કામગીરીને નોંધપાત્ર રીતે નબળી પાડે છે. છેલ્લાં 40 વર્ષોમાં, લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ રચના મિકેનિઝમ્સના સંશોધન અને અનુકરણમાં નોંધપાત્ર પ્રગતિ કરવામાં આવી છે.
ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિને દબાવવા માટેની સૌથી સામાન્ય વ્યૂહરચનાઓમાંની એક એ છે કે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ રચનાને સમાયોજિત કરીને અને ચોક્કસ પદાર્થો ઉમેરીને લિથિયમ ધાતુની સપાટી પર ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SEI) સ્તરની સ્થિરતા અને સુસંગતતા વધારવી. જો કે, લિથિયમ મેટલ ઓર્ગેનિક એડિટિવ્સમાં થર્મોડાયનેમિકલી અસ્થિર હોવાથી, પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વાતાવરણમાં તેની સપાટી પર અસરકારક પેસિવેશન લેયર બનાવવું ખૂબ જ પડકારજનક છે. SEI સ્તરને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા ઉપરાંત, ઉચ્ચ યાંત્રિક શક્તિ સાથે પોલિમર અથવા નક્કર અવરોધ સ્તરોનો પરિચય એ પણ વિભાજકમાં ડેંડ્રાઇટના પ્રવેશને અટકાવવાનું અસરકારક માધ્યમ બની શકે છે. આ પદ્ધતિઓનો હેતુ SEI સ્તર અથવા વિભાજકના જ યાંત્રિક ગુણધર્મોને સુધારીને વિભાજકને લિથિયમ ડેંડ્રાઈટના નુકસાનને રોકવાનો છે, પરંતુ તે મૂળભૂત રીતે ડેંડ્રાઈટની રચનાની સમસ્યાને દૂર કરતી નથી. જ્યારે આ પડકાર પર સંપૂર્ણ કાબુ મેળવવામાં હજુ થોડો સમય બાકી છે, અને લિથિયમ મેટલ એનોડ-આધારિત બેટરી પ્રોડક્ટ્સ હજુ સુધી બજારમાં વ્યાપકપણે ઉપલબ્ધ નથી, સંશોધકોએ સૈદ્ધાંતિક રીતે કેટલીક વૈચારિક લિથિયમ મેટલ બેટરી ડિઝાઇનની દરખાસ્ત કરી છે, જે વ્યવહારુ એપ્લિકેશનની સંભાવના દર્શાવે છે. આ પૈકી, કેથોડ સામગ્રી તરીકે સલ્ફરનો ઉપયોગ કરતી લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીઓ અને કેથોડ સક્રિય સામગ્રી તરીકે ઓક્સિજનનો ઉપયોગ કરતી લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીએ તેમના અનન્ય ફાયદાઓને લીધે નોંધપાત્ર ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે અને બે અત્યંત વ્યાવસાયિક રીતે આશાસ્પદ તમામ-સેલ સિસ્ટમ્સ માનવામાં આવે છે. લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી અત્યંત ઊંચી ઉર્જા ઘનતા (આશરે 2600 W·kg) ધરાવે છે અને આગામી-જનરેશનની બેટરી ઊર્જા સંગ્રહ સિસ્ટમો માટે આશાસ્પદ ઉમેદવારો તરીકે વ્યાપકપણે ઓળખાય છે. વધુ અગત્યનું, એલિમેન્ટલ સલ્ફર પ્રકૃતિમાં વિપુલ પ્રમાણમાં છે અને પર્યાવરણને અનુકૂળ છે, જે લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના ફાયદાઓને વધુ પ્રકાશિત કરે છે. તેથી, તાજેતરના વર્ષોમાં લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીએ વિશ્વભરમાં ધ્યાન ખેંચ્યું છે.
લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ પોલિસલ્ફાઇડ મધ્યવર્તી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી જાય છે અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરફ વળે છે. તેથી, પોલિસલ્ફાઇડ મધ્યવર્તીઓની હાજરીમાં લિથિયમ ડેંડ્રાઇટ્સનું દમન વધુ જટિલ બને છે, ખાસ કરીને જ્યારે સલ્ફર કેથોડ હાઇ લોડિંગ હોય ત્યારે. પોલિસલ્ફાઇડ્સ SEI ફિલ્મમાં પ્રવેશ કરી શકે છે અને સપાટીના સ્તરની નીચે તાજી લિથિયમ ધાતુને કાટ કરી શકે છે, જેનાથી ક્ષમતામાં ઘટાડો થાય છે. તેથી, લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી ઓપરેશન દરમિયાન કેથોડની ક્ષમતા સુધારવા માટે જ નહીં પરંતુ SEI ફિલ્મની સ્થિરતા અને ડેંડ્રાઇટ-મુક્ત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ મેળવવા માટે પણ પોલિસલ્ફાઇડ શટલને અટકાવવું જરૂરી છે. સતત પ્રયત્નો દ્વારા, ઘણી પદ્ધતિઓ વિકસાવવામાં આવી છે, જેમાં હકારાત્મક મર્યાદિત ડોમેન અને શોષણ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફેરફાર અને વિભાજક ડિઝાઇનનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, આ પદ્ધતિઓ લિથિયમ મેટલ એનોડમાં ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિને સીધી રીતે દબાવ્યા વિના, પોલિસલ્ફાઇડ શટલને દબાવવા અને સલ્ફર કેથોડના ઉપયોગ દરમાં સુધારો કરવા પર વધુ ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીનું પ્રદર્શન લિથિયમ મેટલ એનોડના રક્ષણ પર આધારિત છે. વિવિધ ડેંડ્રાઈટ વૃદ્ધિ દમન પદ્ધતિઓની સિનર્જિસ્ટિક અસર લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના વ્યવહારિક ઉપયોગને વેગ આપી શકે છે.
લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરી એ બેટરીનો એક પ્રકાર છે જે હવામાંથી ઓક્સિજનનો હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ઉપયોગ કરે છે; તેમને ક્યારેક લિથિયમ-એર બેટરી કહેવામાં આવે છે. લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીની સૈદ્ધાંતિક ઉર્જા ઘનતા 3500 Wh/kg જેટલી ઊંચી છે, જે વાણિજ્યિક લિથિયમ-આયન બેટરી કરતાં ઘણી વધારે છે. તેથી, લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીઓ ઉર્જા સંગ્રહના ક્ષેત્રમાં એક ક્રાંતિકારી પ્રગતિ બની છે, જે વિશ્વભરનું ધ્યાન આકર્ષિત કરે છે અને આગામી-પેઢીની ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીઓમાં મજબૂત દાવેદાર માનવામાં આવે છે.
પોલિસલ્ફાઇડ ઇન્ટરમીડિયેટ્સની જેમ જ, ઓક્સિજન ક્રોસ-લિથિયમમાં પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડથી લિથિયમ મેટલ નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ સાથે લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરી લિથિયમ મેટલ સપાટીના ધીમે ધીમે અધોગતિ તરફ દોરી શકે છે, પરિણામે ચાર્જિંગ દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વિઘટન થાય છે અને LiOH અને LiCO3 ની રચના થાય છે. તેથી, ઓક્સિજન ક્રોસ-લિંકિંગને દબાવવા માટે ઘણી વ્યૂહરચનાઓ વિકસાવવામાં આવી છે. હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સમસ્યા ઉપરાંત, ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિ અને પેસિવેશન ફિલ્મને નુકસાનને કારણે લિથિયમની અવક્ષય રિચાર્જ લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીમાં લિથિયમ ધાતુના ઉપયોગને ગંભીરપણે અવરોધે છે. લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ વૃદ્ધિને દબાવવા માટેની ઉપરોક્ત વ્યૂહરચનાઓ લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરીને પણ લાગુ પડે છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એડિટિવ્સ, વિભાજક ફેરફાર અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ ડિઝાઇન દ્વારા, લિથિયમ બેટરીનું પ્રદર્શન નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકાય છે.