سردیوں میں لیتھیم بیٹریوں کی صلاحیت کیوں کم ہو جاتی ہے؟ آخر میں، کوئی وضاحت کر سکتا ہے!

سردیوں میں لیتھیم بیٹریوں کی صلاحیت کیوں کم ہو جاتی ہے؟ آخر میں، کوئی وضاحت کر سکتا ہے!

مارکیٹ میں داخل ہونے کے بعد سے، لیتھیم آئن بیٹریاں اپنے فوائد کی وجہ سے وسیع پیمانے پر استعمال ہوتی رہی ہیں جیسے کہ طویل عمر، بڑی مخصوص صلاحیت، اور کوئی میموری اثر نہیں۔ کم درجہ حرارت پر استعمال ہونے والی لیتھیم آئن بیٹریوں میں کم صلاحیت، شدید توجہ، خراب سائیکلنگ کی کارکردگی، واضح لتیم ارتقاء، اور غیر متوازن لیتھیم کو ہٹانا اور اندراج جیسے مسائل ہوتے ہیں۔ تاہم، ایپلی کیشن فیلڈز کی مسلسل توسیع کے ساتھ، لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی خراب کارکردگی کی وجہ سے رکاوٹیں تیزی سے ظاہر ہوتی جا رہی ہیں۔

رپورٹس کے مطابق، -20 ℃ پر لیتھیم آئن بیٹریوں کی خارج ہونے کی صلاحیت کمرے کے درجہ حرارت پر اس کا صرف 31.5 فیصد ہے۔ روایتی لتیم آئن بیٹریاں -20~+55 ℃ کے درمیان درجہ حرارت پر کام کرتی ہیں۔ تاہم، ایرو اسپیس، فوجی، اور الیکٹرک گاڑیوں جیسے شعبوں میں، بیٹریوں کو عام طور پر -40 ℃ پر کام کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ لہذا، لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات کو بہتر بنانا بہت اہمیت کا حامل ہے۔

لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو محدود کرنے والے عوامل

• کم درجہ حرارت والے ماحول میں، الیکٹرولائٹ کی viscosity بڑھ جاتی ہے اور یہاں تک کہ جزوی طور پر مضبوط ہو جاتی ہے، جس کی وجہ سے لتیم آئن بیٹریوں کی چالکتا میں کمی واقع ہوتی ہے۔
• کم درجہ حرارت کے ماحول میں الیکٹرولائٹ، منفی الیکٹروڈ، اور جداکار کے درمیان مطابقت خراب ہو جاتی ہے۔
• کم درجہ حرارت کے حالات میں، لیتھیم آئن بیٹریوں کے منفی الیکٹروڈ کو شدید لتیم بارش کا سامنا ہوتا ہے، اور تیز دھاتی لتیم الیکٹرولائٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتی ہے، جس کے نتیجے میں ایسی مصنوعات جمع ہوتی ہیں جو سالڈ اسٹیٹ الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) کی موٹائی کو بڑھاتی ہیں۔
• کم درجہ حرارت والے ماحول میں، لیتھیم آئن بیٹریوں کے فعال مواد کے اندر پھیلاؤ کا نظام کم ہو جاتا ہے، اور چارج ٹرانسفر امیڈینس (Rct) نمایاں طور پر بڑھ جاتا ہے۔

لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو متاثر کرنے والے عوامل پر بحث

ماہر کا نقطہ نظر 1: الیکٹرولائٹ کا لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر سب سے زیادہ اثر پڑتا ہے، اور الیکٹرولائٹ کی ساخت اور فزیکو کیمیکل خصوصیات بیٹری کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر نمایاں اثر ڈالتی ہیں۔ کم درجہ حرارت پر بیٹریوں کے سائیکل چلانے میں جو مسئلہ درپیش ہے وہ یہ ہے کہ الیکٹرولائٹ کی viscosity بڑھ جائے گی، آئن کی ترسیل کی رفتار کم ہو جائے گی، جس سے بیرونی سرکٹ کے الیکٹران کی منتقلی کی رفتار میں مماثلت پیدا ہو جائے گی، جس کے نتیجے میں بیٹری کی شدید پولرائزیشن ہو جائے گی اور چارج خارج کرنے کی صلاحیت میں تیزی سے کمی۔ خاص طور پر کم درجہ حرارت پر چارج کرتے وقت، لیتھیم آئن آسانی سے منفی الیکٹروڈ کی سطح پر لیتھیم ڈینڈرائٹس بنا سکتے ہیں، جس سے بیٹری خراب ہو جاتی ہے۔

الیکٹرولائٹس کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کا خود الیکٹرولائٹ کی چالکتا سے گہرا تعلق ہے۔ اعلی چالکتا ٹرانسپورٹ آئنوں کے ساتھ الیکٹرولائٹس تیزی سے اور کم درجہ حرارت پر زیادہ صلاحیت کا استعمال کر سکتے ہیں۔ الیکٹرولائٹ میں جتنے زیادہ لتیم نمکیات الگ ہوجاتے ہیں، اتنا ہی وہ منتقل ہوتے ہیں اور ان کی چالکتا بھی اتنی ہی زیادہ ہوتی ہے۔ چالکتا جتنی زیادہ ہوگی اور آئن کی ترسیل کی شرح جتنی تیز ہوگی، پولرائزیشن اتنی ہی کم ہوگی، اور کم درجہ حرارت پر بیٹری کی کارکردگی اتنی ہی بہتر ہوگی۔ لہذا، لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی اچھی کارکردگی کو حاصل کرنے کے لیے اعلی چالکتا ایک ضروری شرط ہے۔

الیکٹرولائٹ کی چالکتا اس کی ساخت سے متعلق ہے، اور سالوینٹ کی viscosity کو کم کرنا الیکٹرولائٹ کی چالکتا کو بہتر بنانے کا ایک طریقہ ہے۔ کم درجہ حرارت پر سالوینٹس کا اچھا بہاؤ آئن کی نقل و حمل کی ضمانت ہے، اور کم درجہ حرارت پر منفی الیکٹروڈ پر الیکٹرولائٹ کے ذریعے بننے والی ٹھوس الیکٹرولائٹ فلم بھی لیتھیم آئن کی ترسیل کو متاثر کرنے والا ایک اہم عنصر ہے، اور RSEI لیتھیم کی اہم رکاوٹ ہے۔ کم درجہ حرارت والے ماحول میں آئن بیٹریاں۔

ماہر 2: لیتھیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو محدود کرنے والا اہم عنصر SEI جھلیوں کے بجائے کم درجہ حرارت پر تیزی سے بڑھتا ہوا Li+diffusion impedance ہے۔

لتیم آئن بیٹریوں کے لیے مثبت الیکٹروڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات

1. پرتوں والے مثبت الیکٹروڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات

تہہ دار ڈھانچہ، ایک جہتی لتیم آئن ڈفیوژن چینلز کے مقابلے میں بے مثال شرح کارکردگی اور سہ جہتی چینلز کی ساختی استحکام کے ساتھ، لتیم آئن بیٹریوں کے لیے سب سے قدیم تجارتی طور پر دستیاب کیتھوڈ مواد ہے۔ اس کے نمائندہ مادوں میں LiCoO2، Li (Co1-xNix) O2، اور Li (Ni, Co, Mn) O2 شامل ہیں۔
Xie Xiaohua et al. تحقیقی آبجیکٹ کے طور پر LiCoO2/MCMB کی کم درجہ حرارت کی چارجنگ اور ڈسچارجنگ خصوصیات کا تجربہ کیا۔
نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جیسے جیسے درجہ حرارت کم ہوتا ہے، ڈسچارج سطح مرتفع 3.762V (0 ℃) سے کم ہو کر 3.207V (-30 ℃) ہو جاتا ہے۔ بیٹری کی کل صلاحیت بھی تیزی سے 78.98mA · h (0 ℃) سے گھٹ کر 68.55mA · h (-30 ℃) ہو گئی ہے۔

2. ریڑھ کی ہڈی کی ساخت مثبت الیکٹروڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات

اسپنل سٹرکچرڈ LiMn2O4 کیتھوڈ مواد میں Co عنصر کی عدم موجودگی کی وجہ سے کم قیمت اور غیر زہریلا ہونے کے فوائد ہیں۔
تاہم، Mn کی متغیر والینس اسٹیٹس اور Mn3+ کے جان ٹیلر اثر کے نتیجے میں ساختی عدم استحکام اور اس جزو کی خراب ریورسیبلٹی ہوتی ہے۔
Peng Zhengshun et al. نے نشاندہی کی کہ تیاری کے مختلف طریقوں کا LiMn2O4 کیتھوڈ مواد کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی پر بہت زیادہ اثر پڑتا ہے۔ Rct کو ایک مثال کے طور پر لیں: اعلی درجہ حرارت کے ٹھوس مرحلے کے طریقہ کار کے ذریعہ ترکیب شدہ LiMn2O4 کا Rct سول جیل طریقہ کے ذریعہ ترکیب شدہ اس سے نمایاں طور پر زیادہ ہے، اور یہ رجحان لیتھیم آئن ڈفیوژن گتانک میں بھی ظاہر ہوتا ہے۔ اس کی بنیادی وجہ یہ ہے کہ مختلف ترکیب کے طریقے مصنوعات کی کرسٹلینٹی اور مورفولوجی پر نمایاں اثر ڈالتے ہیں۔

3. فاسفیٹ سسٹم مثبت الیکٹروڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات

LiFePO4، ٹرنری مواد کے ساتھ، اپنے بہترین حجم کے استحکام اور حفاظت کی وجہ سے پاور بیٹریوں کے لیے اہم کیتھوڈ مواد بن گیا ہے۔ لتیم آئرن فاسفیٹ کی کم درجہ حرارت کی خراب کارکردگی بنیادی طور پر یہ ہے کہ اس کا مواد خود ایک انسولیٹر ہے، جس میں کم الیکٹرانک چالکتا، ناقص لتیم آئن پھیلاؤ، اور کم درجہ حرارت پر ناقص چالکتا، جو بیٹری کی اندرونی مزاحمت کو بڑھاتا ہے، پولرائزیشن کو بہت زیادہ متاثر کرتا ہے۔ اور بیٹری کے چارج اور خارج ہونے میں رکاوٹ پیدا کرتا ہے۔ لہذا، کم درجہ حرارت کی کارکردگی مثالی نہیں ہے.
Gu Yijie et al. کم درجہ حرارت پر چارج ڈسچارج رویے کا مطالعہ کرتے ہوئے پتہ چلا کہ LiFePO4 کی کولمبک کارکردگی 55 ℃ پر 100٪ سے کم ہو کر بالترتیب 0 ℃ پر 96٪ اور -20 ℃ پر 64٪ ہو گئی۔ ڈسچارج وولٹیج 55 ℃ پر 3.11V سے کم ہو کر -20 ℃ پر 2.62V ہو جاتا ہے۔
زنگ وغیرہ۔ LiFePO4 کو تبدیل کرنے کے لیے نینو کاربن کا استعمال کیا اور پتہ چلا کہ نینو کاربن کنڈکٹیو ایجنٹوں کو شامل کرنے سے LiFePO4 کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کی درجہ حرارت میں حساسیت کم ہوئی اور اس کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی بہتر ہوئی۔ ترمیم شدہ LiFePO4 کا ڈسچارج وولٹیج 25 ℃ پر 3.40V سے کم ہو کر -25 ℃ پر 3.09V ہو گیا، صرف 9.12٪ کی کمی کے ساتھ؛ اور اس کی بیٹری کی کارکردگی -25 ℃ پر 57.3٪ ہے، نینو کاربن کنڈکٹیو ایجنٹوں کے بغیر 53.4٪ سے زیادہ۔
حال ہی میں، LiMnPO4 نے لوگوں میں زبردست دلچسپی پیدا کی ہے۔ تحقیق سے پتا چلا ہے کہ LiMnPO4 میں اعلیٰ صلاحیت (4.1V)، کوئی آلودگی، کم قیمت، اور بڑی مخصوص صلاحیت (170mAh/g) جیسے فوائد ہیں۔ تاہم، چونکہ LiMnPO4 میں LiFePO4 سے کم آئنک چالکتا ہے، اس لیے یہ اکثر عملی طور پر Mn کو جزوی طور پر Fe سے بدلنے کے لیے LiMn0.8Fe0.2PO4 ٹھوس محلول بنانے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔

لتیم آئن بیٹریوں کے لیے منفی الیکٹروڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات

مثبت الیکٹروڈ مواد کے مقابلے میں، لیتھیم آئن بیٹریوں میں منفی الیکٹروڈ مواد کا کم درجہ حرارت میں بگاڑ زیادہ شدید ہے، بنیادی طور پر درج ذیل تین وجوہات کی وجہ سے:

• کم درجہ حرارت اور ہائی ریٹ چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران، بیٹری پولرائزیشن شدید ہوتی ہے، اور منفی الیکٹروڈ کی سطح پر لتیم دھات کی ایک بڑی مقدار جمع ہوتی ہے، اور لتیم دھات اور الیکٹرولائٹ کے درمیان رد عمل کی مصنوعات میں عام طور پر چالکتا نہیں ہوتا ہے۔
• تھرموڈینامک نقطہ نظر سے، الیکٹرولائٹ میں قطبی گروپس کی ایک بڑی تعداد ہوتی ہے جیسے C-O اور C-N، جو منفی الیکٹروڈ مواد کے ساتھ رد عمل ظاہر کر سکتے ہیں، جس کے نتیجے میں SEI فلمیں کم درجہ حرارت کے لیے زیادہ حساس ہوتی ہیں۔
• کم درجہ حرارت پر کاربن منفی الیکٹروڈ میں لتیم کو سرایت کرنا مشکل ہے، جس کے نتیجے میں غیر متناسب چارجنگ اور ڈسچارج ہوتا ہے۔

کم درجہ حرارت کے الیکٹرولائٹس پر تحقیق

الیکٹرولائٹ لتیم آئن بیٹریوں میں Li+ کو منتقل کرنے میں ایک کردار ادا کرتا ہے، اور اس کی آئن چالکتا اور SEI فلم بنانے کی کارکردگی بیٹری کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر نمایاں اثر ڈالتی ہے۔ کم درجہ حرارت والے الیکٹرولائٹ کے معیار کو جانچنے کے لیے تین اہم اشارے ہیں: آئن چالکتا، الیکٹرو کیمیکل ونڈو، اور الیکٹروڈ رد عمل کی سرگرمی۔ ان تین اشارے کی سطح زیادہ تر ان کے اجزاء پر منحصر ہے: سالوینٹس، الیکٹرولائٹس (لتیم نمکیات)، اور اضافی۔ لہذا، بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو سمجھنے اور بہتر بنانے کے لیے الیکٹرولائٹ کے مختلف حصوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کا مطالعہ بہت اہمیت کا حامل ہے۔

• چین کاربونیٹ کے مقابلے میں، EC پر مبنی الیکٹرولائٹس کا کمپیکٹ ڈھانچہ، اعلی طاقت، اور اعلی پگھلنے کا مقام اور چپکنے والی ہوتی ہے۔ تاہم، سرکلر ڈھانچے کے ذریعہ پیدا ہونے والی بڑی قطبیت اکثر ایک بڑے ڈائی الیکٹرک مستقل کی طرف لے جاتی ہے۔ اعلی ڈائی الیکٹرک مستقل، اعلی آئنک چالکتا، اور EC سالوینٹس کی بہترین فلم بنانے کی کارکردگی مؤثر طریقے سے سالوینٹس کے مالیکیولز کے ساتھ داخل ہونے سے روکتی ہے، اور انہیں ناگزیر بناتی ہے۔ لہذا، عام طور پر استعمال ہونے والے کم درجہ حرارت والے الیکٹرولائٹ سسٹمز EC پر مبنی ہوتے ہیں اور کم پگھلنے والے پوائنٹ چھوٹے مالیکیول سالوینٹس کے ساتھ ملتے ہیں۔
• 
  
• لتیم نمکیات الیکٹرولائٹس کا ایک اہم جزو ہیں۔ الیکٹرولائٹس میں لیتھیم نمکیات نہ صرف محلول کی آئنک چالکتا کو بہتر بنا سکتے ہیں بلکہ محلول میں Li+کے پھیلاؤ کے فاصلے کو بھی کم کر سکتے ہیں۔ عام طور پر، حل میں Li+کا ارتکاز جتنا زیادہ ہوگا، اس کی آئنک چالکتا اتنی ہی زیادہ ہوگی۔ تاہم، الیکٹرولائٹ میں لتیم آئنوں کا ارتکاز لتیم نمکیات کے ارتکاز سے خطی طور پر منسلک نہیں ہے، بلکہ پیرابولک شکل میں ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ سالوینٹس میں لتیم آئنوں کا ارتکاز سالوینٹ میں لتیم نمکیات کے انحراف اور ایسوسی ایشن کی طاقت پر منحصر ہے۔

خود بیٹری کی ساخت کے علاوہ، عملی آپریشن میں عمل کے عوامل بھی بیٹری کی کارکردگی پر نمایاں اثر ڈال سکتے ہیں۔

(1) تیاری کا عمل۔ یعقوب وغیرہ۔ LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Graphite بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر الیکٹروڈ بوجھ اور کوٹنگ کی موٹائی کے اثرات کا مطالعہ کیا اور پتہ چلا کہ صلاحیت برقرار رکھنے کے لحاظ سے، الیکٹروڈ کا بوجھ جتنا چھوٹا ہوگا، کوٹنگ کی پرت اتنی ہی پتلی ہوگی، اور اتنا ہی بہتر اس کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی۔

(2) چارج اور ڈسچارج کی حیثیت. Petzl et al. بیٹریوں کی سائیکل لائف پر کم درجہ حرارت کی چارجنگ اور ڈسچارجنگ کے حالات کے اثرات کا مطالعہ کیا اور پتہ چلا کہ جب ڈسچارج کی گہرائی زیادہ ہوتی ہے، تو یہ صلاحیت میں نمایاں کمی کا سبب بنتی ہے اور سائیکل کی زندگی کو کم کرتی ہے۔

(3) دیگر عوامل۔ سطح کا رقبہ، تاکنا کا سائز، الیکٹروڈ کی کثافت، الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان گیلا پن، اور الیکٹروڈ کا الگ کرنے والا یہ سب لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں۔ اس کے علاوہ، بیٹریوں کے کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر مواد اور عمل میں نقائص کے اثرات کو نظر انداز نہیں کیا جا سکتا۔

خلاصہ کریں۔

لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے، درج ذیل کام کرنا ضروری ہے:

(1) ایک پتلی اور گھنی SEI فلم بنانا؛

(2) اس بات کو یقینی بنائیں کہ Li+کا فعال مادہ میں ایک بڑا پھیلاؤ گتانک ہے۔

(3) الیکٹرولائٹس میں کم درجہ حرارت پر اعلی آئنک چالکتا ہوتا ہے۔

اس کے علاوہ، تحقیق نئی راہیں بھی تلاش کر سکتی ہے اور لتیم آئن بیٹری کی ایک اور قسم پر توجہ مرکوز کر سکتی ہے - تمام ٹھوس ریاست لیتھیم آئن بیٹریاں۔ روایتی لیتھیم آئن بیٹریوں کے مقابلے میں، تمام سالڈ سٹیٹ لیتھیم آئن بیٹریاں، خاص طور پر تمام سالڈ سٹیٹ پتلی فلم لیتھیم آئن بیٹریوں سے توقع کی جاتی ہے کہ کم درجہ حرارت پر استعمال ہونے والی بیٹریوں کی صلاحیت میں کمی اور سائیکلنگ کی حفاظت کے مسائل کو مکمل طور پر حل کر لیں گے۔