લિથિયમ-આયન બેટરી ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો અર્થ?

◆જલીય ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ શું છે?

◆સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો પરિચય

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ, એક અનિવાર્ય ઘટકલિથિયમ-આયન બેટરી, બેટરીના ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્રમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે.

તે માત્ર લિથિયમ આયનોના કાર્યક્ષમ પરિવહન અને વર્તમાનના વહન માટે જ જવાબદાર નથી, પરંતુ હકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચેના સીધા ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહને અસરકારક રીતે અટકાવવા માટે ઇલેક્ટ્રોનિક ઇન્સ્યુલેશન ગુણધર્મો પણ ધરાવે છે. અલંકારિક રીતે કહીએ તો, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ લિથિયમ-આયન બેટરીની અંદરના "લોહી" જેવું છે, જે સકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીઓ વચ્ચે જોડાણને સુનિશ્ચિત કરે છે, જેનાથી સમગ્ર ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયાની સરળ પ્રગતિની ખાતરી આપે છે.

લિથિયમ-આયન બેટરી માટે આદર્શ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ નીચેની પાંચ આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરે છે:

બૅટરી ઉર્જા ઘનતા અને પાવર ડેન્સિટી માટે સતત વધતી જતી માંગ સાથે, બૅટરી ટેક્નોલોજી ઝડપથી વિકસી રહી છે, અને ઇલેક્ટ્રોડ મટિરિયલ્સે જબરદસ્ત પ્રગતિ કરી છે. તેનાથી વિપરીત, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સિસ્ટમ્સનો વિકાસ પાછળ રહી ગયો છે. હાલમાં, લિથિયમ-આયન બેટરી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના વિકાસને વ્યાપક રીતે ત્રણ પ્રકારોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે: બિન-જલીય દ્રાવક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ, જલીય ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને ઘન-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ.

બિન-જલીય દ્રાવક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ

 

લિથિયમ-આયન બેટરીમાં બિન-જલીય દ્રાવક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સિસ્ટમ્સનો સંદર્ભ આપે છે જેમાં પાણી નથી, મુખ્યત્વે દ્રાવકો, દ્રાવકો (સામાન્ય રીતે લિથિયમ ક્ષાર) અને ઉમેરણોથી બનેલું છે. આ બિન-જલીય દ્રાવકો સામાન્ય રીતે જલીય દ્રાવકોને બદલે કાર્બનિક દ્રાવક છે, જે પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ અથવા ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીઓ સાથે પ્રતિકૂળ પ્રતિક્રિયાઓને ટાળવા માટે છે. લિથિયમ ક્ષાર એ લિથિયમ-આયન પરિવહન માટે પ્રાથમિક વાહક છે, સોલવન્ટ્સ લિથિયમ ક્ષાર માટે વિસર્જન, વિક્ષેપ અને સમર્થન તરીકે સેવા આપે છે, અને ઉમેરણો મુખ્યત્વે લિથિયમ-આયન બેટરીની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કામગીરી અથવા સલામતીને સુધારવા માટે કાર્ય કરે છે.

લિથિયમ-આયન બેટરીમાં વપરાતા વાણિજ્યિક રીતે ઉપલબ્ધ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ (એટલે ​​​​કે, પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ) મુખ્યત્વે બે અથવા વધુ કાર્બનિક દ્રાવકોમાં ઓગળેલા એક અથવા વધુ લિથિયમ ક્ષારથી બનેલા હોય છે; એક દ્રાવકથી બનેલા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ખૂબ જ દુર્લભ છે. બહુવિધ દ્રાવકનો ઉપયોગ કરવાનું કારણ એ છે કે વાસ્તવિક-વિશ્વની બેટરીઓ અલગ-અલગ, વિરોધાભાસી, જરૂરિયાતો ધરાવે છે જે એક જ દ્રાવકનો ઉપયોગ કરીને પૂરી કરવી મુશ્કેલ છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સને ઉચ્ચ પ્રવાહીતાની જરૂર પડી શકે છે જ્યારે ઉચ્ચ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક પણ હોય છે; તેથી, વિવિધ ભૌતિક રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવતા સોલવન્ટનો ઉપયોગ ઘણીવાર સંયોજનમાં થાય છે, જે એકસાથે વિવિધ લાક્ષણિકતાઓનું પ્રદર્શન કરે છે. વધુમાં, લિથિયમ ક્ષારનો સામાન્ય રીતે એકસાથે ઉપયોગ થતો નથી કારણ કે લિથિયમ ક્ષારની પસંદગી મર્યાદિત હોય છે, અને તેના ફાયદા સહેલાઈથી દેખાતા નથી.

આદર્શ કાર્બનિક દ્રાવકમાં નીચેના મુખ્ય ગુણધર્મો હોવા જોઈએ: પ્રથમ, તેમને લિથિયમ ક્ષારના સારા વિસર્જનની ખાતરી કરવા માટે ઉચ્ચ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંકની જરૂર છે; બીજું, ઇલેક્ટ્રોલાઇટની ઓપરેટિંગ તાપમાન શ્રેણીને વિસ્તૃત કરવા માટે તેમની પાસે નીચા ગલનબિંદુ અને ઊંચા ઉત્કલન બિંદુ હોવા જોઈએ; ત્રીજું, ઓછી સ્નિગ્ધતા માધ્યમમાં લિથિયમ આયનોના કાર્યક્ષમ સ્થળાંતરને પ્રોત્સાહન આપવામાં મદદ કરે છે; અને અંતે, આ દ્રાવક સસ્તા હોવા જોઈએ અને તેમાં ઓછી ઝેરીતા હોવી જોઈએ (આદર્શ રીતે બિન-ઝેરી). કાર્બોનેટ સંયોજનો, લિથિયમ-આયન બેટરી ઉદ્યોગમાં સૌથી જૂના અને સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતા કાર્બનિક સોલવન્ટ્સમાંના એક તરીકે, બેટરી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના ક્ષેત્રમાં નિર્ણાયક સ્થાન ધરાવે છે.

હાલમાં, આ પ્રકારના દ્રાવકમાં મુખ્યત્વે બે માળખાકીય સ્વરૂપોનો સમાવેશ થાય છે: ચક્રીય અને સાંકળ. નીચેનું કોષ્ટક સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા બિન-જલીય દ્રાવકો, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને કાર્બનિક દ્રાવકોના સંબંધિત ભૌતિક પરિમાણોનો સારાંશ આપે છે.

હાલમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં આલ્કિલ કાર્બોનેટ સોલવન્ટનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. આ સોલવન્ટ્સ સારી ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર ધરાવે છે અને ઉચ્ચ વોલ્ટેજની સ્થિતિમાં ઉત્તમ સ્થિરતા દર્શાવે છે. ચક્રીય કાર્બોનેટ, જેમ કે ઇથિલિન કાર્બોનેટ અને પ્રોપીલીન કાર્બોનેટ, તેમના ઉચ્ચ ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંકો માટે જાણીતા છે, એટલે કે તેઓ લિથિયમ ક્ષારને વધુ અસરકારક રીતે ઓગાળી શકે છે; જો કે, મજબૂત આંતરપરમાણુ બળોને લીધે, આ દ્રાવકોમાં ઉચ્ચ સ્નિગ્ધતા હોય છે, જે તેમની અંદર લિથિયમ આયનોની ગતિને ધીમી પાડે છે. તેનાથી વિપરીત, સાંકળ કાર્બોનેટ, જેમ કે ડાઇમેથાઈલ કાર્બોનેટ અને ડાયથાઈલ કાર્બોનેટ, જ્યારે ઓછી સ્નિગ્ધતા ધરાવે છે, તે પ્રમાણમાં ઓછા ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંકો પણ ધરાવે છે, પરિણામે લિથિયમ ક્ષાર માટે પ્રમાણમાં નબળી વિસર્જન કાર્યક્ષમતા છે. તેથી, શ્રેષ્ઠ આયનીય વાહકતા સાથે સોલ્યુશન સિસ્ટમ્સ તૈયાર કરવા માટે, વિવિધ પ્રકારના સોલવન્ટને ઘણીવાર મિશ્રિત કરવામાં આવે છે, જેમ કે PC+DEC અથવા EC+DMC સંયોજનો. લિથિયમ ક્ષાર, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં લિથિયમ આયનોના સ્ત્રોત તરીકે, લિથિયમ-આયન બેટરીની ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન લિથિયમ આયન પરિવહનમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે. તેમની કામગીરી લિથિયમ{10}}આયન બેટરીના ઘણા પાસાઓને સીધી અસર કરે છે, જેમાં ઉર્જા ઘનતા, પાવર ઘનતા, ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ શ્રેણી, ચક્ર જીવન અને સલામતીનો સમાવેશ થાય છે. હાલમાં, પ્રયોગશાળા સંશોધન અને ઔદ્યોગિક પ્રેક્ટિસમાં, મોટા એનિઓનિક ત્રિજ્યા અને ઉચ્ચ રેડોક્સ સ્થિરતા સાથે લિથિયમ ક્ષાર સામાન્ય રીતે પસંદ કરવામાં આવે છે. તેમની રાસાયણિક રચનાના આધારે, લિથિયમ ક્ષારને વ્યાપક રીતે બે વર્ગોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે: અકાર્બનિક લિથિયમ ક્ષાર અને કાર્બનિક લિથિયમ ક્ષાર. LiPF6, LiClO4, LIBF અને LIASF સહિત કેટલાક અકાર્બનિક લિથિયમ ક્ષાર વિકસાવવામાં આવ્યા છે. તેનાથી વિપરિત, લિથિયમ-આયન બેટરીમાં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા કાર્બનિક લિથિયમ ક્ષાર આ અકાર્બનિક લિથિયમ ક્ષારના આયનોમાં ઇલેક્ટ્રોન-પાછળ ખેંચીને જૂથો ઉમેરીને ઘડવામાં આવે છે, જેમ કે લિથિયમ ડાયોક્સાલેટો-બોરેટ (LiBOB), લિથિયમ ડિફ્લુઓરોએટ (ઓડીબી){20}} difluorosulfonylimide (LiFSI), અને લિથિયમ ditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI). નીચેનું કોષ્ટક લિથિયમ-આયન બેટરીઓમાં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા લિથિયમ ક્ષારના સંબંધિત ભૌતિક રાસાયણિક ગુણધર્મો દર્શાવે છે.

ઉમેરણો એ એવા પદાર્થો છે જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓછી સાંદ્રતામાં ઉમેરવામાં આવે છે (સામાન્ય રીતે સમૂહ દ્વારા 10% થી વધુ નહીં) જે ચોક્કસ કાર્યો ધરાવે છે અને બેટરીની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ લાક્ષણિકતાઓને નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકે છે. તેમના કાર્યોના આધારે, આ ઉમેરણોને ઘણી શ્રેણીઓમાં વ્યાપક રીતે વર્ગીકૃત કરી શકાય છે: ફિલ્મ-રચના ઉમેરણો, જ્યોત રેટાડન્ટ્સ અને ઓવરચાર્જિંગને રોકવા માટે ઉમેરણો. વધુમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલ્યુશનમાં વાહકતા વધારવા, નીચા-તાપમાનની સ્થિતિમાં પ્રભાવને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા અથવા ટ્રેસની માત્રા અને HF સાંદ્રતાને નિયંત્રિત કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા ઉમેરણો છે.