लिथियम-आयन बैटरियों के मुख्य घटक
(1) कैथोड (सकारात्मक इलेक्ट्रोड)- सक्रिय सामग्रियों में मुख्य रूप से लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड, लिथियम मैंगनेट, लिथियम आयरन फॉस्फेट, लिथियम निकल ऑक्साइड, निकल-कोबाल्ट-मैंगनीज टर्नरी सामग्री आदि शामिल हैं। 10-20 माइक्रोमीटर की मोटाई वाले एल्यूमीनियम पन्नी का उपयोग आमतौर पर प्रवाहकीय वर्तमान कलेक्टर के रूप में किया जाता है।
(2) सेपरेटर- एक विशेष प्लास्टिक झिल्ली जो इलेक्ट्रॉनों को इन्सुलेट करते समय लिथियम आयनों को गुजरने की अनुमति देती है। वर्तमान में, यह मुख्य रूप से पीई, पीपी या उनके कंपोजिट से बना है। अकार्बनिक ठोस विभाजक भी हैं; उदाहरण के लिए, एल्युमिना-लेपित विभाजक एक प्रकार का अकार्बनिक ठोस विभाजक है।
(3) एनोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड)- सक्रिय सामग्रियों में मुख्य रूप से ग्रेफाइट, लिथियम टाइटेनेट, या ग्रेफाइट जैसी संरचनाओं वाली कार्बन सामग्री शामिल हैं। 7-15 माइक्रोमीटर की मोटाई वाली तांबे की पन्नी का उपयोग आमतौर पर प्रवाहकीय वर्तमान संग्राहक के रूप में किया जाता है।
(4) इलेक्ट्रोलाइट- आम तौर पर एक कार्बनिक प्रणाली, जैसे कार्बोनेट-आधारित सॉल्वैंट्स लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट के साथ घुल जाती है। कुछ पॉलिमर बैटरियां जेल-प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट्स को अपनाती हैं।
(5) बैटरी डिब्बा- मुख्य रूप से कठोर मामलों (स्टील के गोले, एल्यूमीनियम के गोले, निकल-प्लेटेड लोहे के गोले, आदि) और नरम-पैक मामलों (एल्यूमीनियम-प्लास्टिक फिल्म) में विभाजित।
चार्जिंग के दौरान, लिथियम आयन कैथोड से अलग हो जाते हैं और एनोड में जुड़ जाते हैं; डिस्चार्जिंग के दौरान विपरीत होता है। असेंबली से पहले एक इलेक्ट्रोड को लिथियम-इंटरकलेटेड अवस्था में होना आवश्यक है। लिथियम के सापेक्ष 3 V से अधिक क्षमता वाले और हवा में स्थिर लिथियम-इंटरकलेटेड संक्रमण धातु ऑक्साइड को आम तौर पर कैथोड सामग्री के रूप में चुना जाता है, जैसे LiCoO₂, LiNiO₂ और LiMn₂O₄।
एनोड सामग्रियां लिथियम-इंटरकलेबल यौगिक हैं जिनकी क्षमता यथासंभव लिथियम के करीब होती है, जिसमें विभिन्न कार्बन सामग्री (प्राकृतिक ग्रेफाइट, सिंथेटिक ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर, मेसोकार्बन माइक्रोबीड्स, आदि) और धातु ऑक्साइड जैसे SnO, SnO₂ और टिन मिश्रित ऑक्साइड SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0.6, y=0.6–0.4, शामिल हैं। z=(2 + 3x + 5y)/2).
इलेक्ट्रोलाइट एथिलीन कार्बोनेट (ईसी), प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी) और लीपीएफ₆ के साथ घुले हुए कम-चिपचिपापन वाले डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी) जैसे एल्काइल कार्बोनेट की मिश्रित विलायक प्रणाली को अपनाता है।
विभाजक पीई, पीपी या उनके कंपोजिट की पॉलीओलेफ़िन माइक्रोपोरस फ़िल्में हैं। विशेष रूप से, पीपी/पीई/पीपी तीन-परत विभाजक में कम पिघलने बिंदु और उच्च पंचर प्रतिरोध होता है, जो थर्मल सुरक्षा फ्यूज के रूप में कार्य करता है।
मामले स्टील या एल्यूमीनियम से बने होते हैं, और कवर असेंबली विस्फोट-प्रूफ और पावर-कटऑफ फ़ंक्शन से सुसज्जित होती हैं।
बुनियादी कार्य सिद्धांत
जब बैटरी चार्ज की जाती है, तो लिथियम आयन कैथोड में लिथियम युक्त यौगिकों से निकाले जाते हैं और इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड में चले जाते हैं। एनोड की कार्बन सामग्री में कई माइक्रोप्रोर्स के साथ एक स्तरित संरचना होती है, जहां लिथियम आयन एम्बेडेड होते हैं। अधिक एम्बेडेड लिथियम आयनों का मतलब उच्च चार्जिंग क्षमता है।
डिस्चार्ज के दौरान (जब बैटरी उपयोग में होती है), एनोड की कार्बन परतों में एम्बेडेड लिथियम आयन निकाले जाते हैं और कैथोड में वापस चले जाते हैं। कैथोड में लौटने वाले अधिक लिथियम आयन उच्च डिस्चार्ज क्षमता के अनुरूप होते हैं। आमतौर पर हम जिस बैटरी क्षमता का उल्लेख करते हैं वह डिस्चार्ज क्षमता है।
लिथियम-आयन बैटरी के चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के दौरान, लिथियम आयन कैथोड और एनोड के बीच आगे और पीछे घूमते हैं। यह एक रॉकिंग कुर्सी के समान है: कुर्सी के दोनों सिरे दो इलेक्ट्रोड का प्रतिनिधित्व करते हैं, और लिथियम आयन उनके बीच बार-बार चलते हैं। इसलिए, लिथियम-आयन बैटरियों को रॉकिंग-चेयर बैटरी के रूप में भी जाना जाता है।
चार्ज-डिस्चार्ज तंत्र
लिथियम-आयन बैटरियों की चार्जिंग प्रक्रिया में दो चरण होते हैं: निरंतर-वर्तमान चार्जिंग और धीरे-धीरे कम होते करंट के साथ निरंतर-वोल्टेज चार्जिंग।
ओवर-चार्जिंग और ओवर-डिस्चार्जिंग से कैथोड और एनोड को स्थायी नुकसान होता है। ओवर-डिस्चार्ज से एनोड कार्बन की स्तरित संरचना ढह जाती है, जिससे लिथियम आयनों को बाद की चार्जिंग के दौरान आपस में जुड़ने से रोका जा सकता है। ओवर-चार्जिंग अत्यधिक लिथियम आयनों को एनोड कार्बन संरचना में एम्बेड करती है, जिससे कुछ लिथियम आयन स्थायी रूप से गैर-निष्कर्षण योग्य रह जाते हैं।
लिथियम-आयन बैटरी के प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए इष्टतम चार्ज-डिस्चार्ज पैटर्न उथली चार्जिंग और उथली डिस्चार्जिंग है। आम तौर पर, 60% डिस्चार्ज की गहराई (डीओडी) के तहत चक्र जीवन 100% डीओडी के तहत 2-4 गुना होता है।
