لتیم آئن بیٹریوں کی جداگانہ ناکامی کے لیے تجزیہ کا طریقہ

لتیم آئن بیٹریوں کی جداگانہ ناکامی کے لیے تجزیہ کا طریقہ

لیتھیم آئن بیٹریوں کی عمر بڑھنے کی ناکامی ایک عام مسئلہ ہے، اور بیٹری کی کارکردگی میں کمی بنیادی طور پر مواد اور الیکٹروڈ کی سطح پر کیمیائی انحطاط کے رد عمل کی وجہ سے ہے (شکل 1)۔ الیکٹروڈ کے انحطاط میں الیکٹروڈ کی سطح کی پرت پر جھلیوں اور چھیدوں کی رکاوٹ کے ساتھ ساتھ الیکٹروڈ کی دراڑ یا چپکنے کی ناکامی شامل ہے۔ مواد کے انحطاط میں ذرہ کی سطحوں پر فلم کی تشکیل، ذرہ کی کریکنگ، پارٹیکل ڈیٹیچمنٹ، ذرّات کی سطحوں پر ساختی تبدیلی، دھاتی عناصر کی تحلیل اور منتقلی وغیرہ شامل ہیں۔ مثال کے طور پر، مواد کا انحطاط بیٹری کی سطح پر صلاحیت میں کمی اور مزاحمت میں اضافہ کا باعث بن سکتا ہے۔ لہذا، بیٹری کے اندر ہونے والے انحطاط کے طریقہ کار کی مکمل تفہیم ناکامی کے طریقہ کار کا تجزیہ کرنے اور بیٹری کی زندگی کو بڑھانے کے لیے بہت ضروری ہے۔ یہ مضمون پرانی لتیم آئن بیٹریوں کو جدا کرنے کے طریقوں اور بیٹری کے مواد کا تجزیہ کرنے اور جدا کرنے کے لیے استعمال ہونے والی جسمانی اور کیمیائی جانچ کی تکنیکوں کا خلاصہ کرتا ہے۔

تصویر 1 لتیم آئن بیٹریوں میں الیکٹروڈ اور مادی انحطاط کے لیے عمر بڑھنے کی ناکامی کے طریقہ کار اور عام تجزیہ کے طریقوں کا جائزہ

1. بیٹری کو جدا کرنے کا طریقہ

عمر رسیدہ اور ناکام بیٹریوں کے جدا کرنے اور تجزیہ کا عمل تصویر 2 میں دکھایا گیا ہے، جس میں بنیادی طور پر شامل ہیں:

(1) بیٹری پری معائنہ؛

(2) کٹ آف وولٹیج یا ایک مخصوص SOC حالت میں خارج ہونا؛

(3) ایک کنٹرول شدہ ماحول میں منتقلی، جیسے خشک کرنے والا کمرہ؛

(4) بیٹری کو جدا کریں اور کھولیں۔

(5) مختلف اجزاء کو الگ کریں، جیسے مثبت الیکٹروڈ، منفی الیکٹروڈ، ڈایافرام، الیکٹرولائٹ، وغیرہ؛

(6) ہر حصے کا جسمانی اور کیمیائی تجزیہ کریں۔

چترا 2 خستہ اور ناکامی بیٹریوں کے جدا کرنے اور تجزیہ کا عمل

1.1 جدا کرنے سے پہلے لتیم آئن بیٹریوں کا پہلے سے معائنہ اور غیر تباہ کن جانچ

خلیات کو جدا کرنے سے پہلے، غیر تباہ کن جانچ کے طریقے بیٹری کی کشندگی کے طریقہ کار کی ابتدائی تفہیم فراہم کر سکتے ہیں۔ عام جانچ کے طریقوں میں بنیادی طور پر شامل ہیں:

(1) صلاحیت کی جانچ: بیٹری کی عمر بڑھنے کی حالت عام طور پر اس کی صحت کی حالت (SOH) سے ہوتی ہے، جو کہ بیٹری کے خارج ہونے کی صلاحیت کا تناسب عمر کے وقت t = 0 پر خارج ہونے والی صلاحیت سے ہوتا ہے۔ اس حقیقت کی وجہ سے کہ خارج ہونے کی صلاحیت بنیادی طور پر درجہ حرارت، خارج ہونے والے مادہ کی گہرائی (DOD)، اور خارج ہونے والے کرنٹ پر منحصر ہوتی ہے، عام طور پر SOH کی نگرانی کے لیے آپریٹنگ حالات کی باقاعدہ جانچ پڑتال کی ضرورت ہوتی ہے، جیسے درجہ حرارت 25 ° C، DOD 100%، اور خارج ہونے کی شرح 1C .

(2) تفریق صلاحیت کا تجزیہ (ICA): تفریق صلاحیت سے مراد dQ/dV-V وکر ہے، جو وولٹیج کی سطح مرتفع اور وولٹیج وکر میں انفلیکشن پوائنٹ کو dQ/dV چوٹیوں میں تبدیل کر سکتا ہے۔ عمر بڑھنے کے دوران dQ/dV چوٹیوں (چوٹی کی شدت اور چوٹی کی شفٹ) میں ہونے والی تبدیلیوں کی نگرانی کرنے سے معلومات حاصل کی جا سکتی ہیں جیسے فعال مادی نقصان/برقی رابطے کا نقصان، بیٹری کی کیمیائی تبدیلیاں، خارج ہونے والے مادہ، انڈر چارج، اور لیتھیم ارتقاء۔

(3) الیکٹرو کیمیکل امپیڈینس اسپیکٹروسکوپی (EIS): عمر بڑھنے کے عمل کے دوران، بیٹری کی رکاوٹ عام طور پر بڑھ جاتی ہے، جس کی وجہ سے کائینیٹکس سست ہوجاتا ہے، جس کی وجہ جزوی طور پر صلاحیت کی کمی ہوتی ہے۔ رکاوٹ میں اضافے کی وجہ بیٹری کے اندر جسمانی اور کیمیائی عمل کی وجہ سے ہوتی ہے، جیسے کہ مزاحمتی تہہ میں اضافہ، جو کہ بنیادی طور پر اینوڈ کی سطح پر SEI کی وجہ سے ہو سکتا ہے۔ تاہم، بیٹری کی رکاوٹ بہت سے عوامل سے متاثر ہوتی ہے اور اس کے لیے مساوی سرکٹس کے ذریعے ماڈلنگ اور تجزیہ کی ضرورت ہوتی ہے۔

(4) بصری معائنہ، تصویر کی ریکارڈنگ، اور وزن بڑھانا لتیم آئن بیٹریوں کا تجزیہ کرنے کے لیے معمول کی کارروائیاں ہیں۔ یہ معائنے بیٹری کی بیرونی خرابی یا رساو جیسے مسائل کو ظاہر کر سکتے ہیں، جو عمر بڑھنے کے رویے کو بھی متاثر کر سکتے ہیں یا بیٹری کی خرابی کا سبب بن سکتے ہیں۔

(5) بیٹری کے اندرونی حصے کی غیر تباہ کن جانچ، بشمول ایکس رے تجزیہ، ایکس رے کمپیوٹیڈ ٹوموگرافی، اور نیوٹران ٹوموگرافی۔ CT بیٹری کے اندر بہت سی تفصیلات کو ظاہر کر سکتا ہے، جیسے کہ عمر بڑھنے کے بعد بیٹری کے اندر کی خرابی، جیسا کہ اعداد و شمار 3 اور 4 میں دکھایا گیا ہے۔

شکل 3 لیتھیم آئن بیٹریوں کی غیر تباہ کن خصوصیات کی مثال۔ a) جیلی رول بیٹریوں کی ایکس رے ٹرانسمیشن کی تصاویر؛ ب) 18650 بیٹری کے مثبت ٹرمینل کے قریب فرنٹل سی ٹی اسکین۔

شکل 4 خراب شدہ جیلی رول کے ساتھ 18650 بیٹری کا محوری سی ٹی اسکین

1.2 ایک مقررہ SOC اور کنٹرول شدہ ماحول میں لتیم آئن بیٹریوں کو جدا کرنا

جدا کرنے سے پہلے، بیٹری کو چارج یا مخصوص چارج کی حالت (SOC) پر چارج کیا جانا چاہیے۔ حفاظتی نقطہ نظر سے، یہ گہرا ڈسچارج کرنے کی سفارش کی جاتی ہے (جب تک کہ ڈسچارج وولٹیج 0 V نہ ہو)۔ اگر جدا کرنے کے عمل کے دوران ایک شارٹ سرکٹ ہوتا ہے تو، گہرے خارج ہونے سے تھرمل بھاگنے کا خطرہ کم ہو جائے گا۔ تاہم، گہرا مادہ غیر مطلوبہ مادی تبدیلیوں کا سبب بن سکتا ہے۔ لہذا، زیادہ تر صورتوں میں، بیٹری کو جدا کرنے سے پہلے SOC=0% پر خارج کر دیا جاتا ہے۔ بعض اوقات، تحقیقی مقاصد کے لیے، بیٹریوں کو تھوڑی مقدار میں چارج شدہ حالت میں جدا کرنے پر غور کرنا بھی ممکن ہے۔

بیٹری کو جدا کرنے کا عمل عام طور پر ہوا اور نمی کے اثرات کو کم کرنے کے لیے ایک کنٹرول شدہ ماحول میں کیا جاتا ہے، جیسے کہ خشک کرنے والے کمرے یا دستانے کے خانے میں۔

1.3 لتیم آئن بیٹری کو جدا کرنے کا طریقہ کار اور اجزاء کی علیحدگی

بیٹری کو جدا کرنے کے عمل کے دوران، بیرونی اور اندرونی شارٹ سرکٹ سے بچنا ضروری ہے۔ جدا کرنے کے بعد، مثبت، منفی، ڈایافرام اور الیکٹرولائٹ کو الگ کریں۔ مخصوص بے ترکیبی کے عمل کو دہرایا نہیں جائے گا۔

1.4 جداگانہ بیٹری کے نمونوں کی پوسٹ پروسیسنگ

بیٹری کے اجزاء کو الگ کرنے کے بعد، نمونے کو ایک عام الیکٹرولائٹ سالوینٹس (جیسے DMC) سے دھویا جاتا ہے تاکہ کسی بھی بقایا کرسٹل لائن LiPF6 یا غیر اتار چڑھاؤ والے سالوینٹس کو ہٹایا جا سکے جو الیکٹرولائٹ کے سنکنرن کو بھی کم کر سکتا ہے۔ تاہم، صفائی کا عمل بعد میں آنے والے ٹیسٹ کے نتائج کو بھی متاثر کر سکتا ہے، جیسے کہ دھونا جس کے نتیجے میں مخصوص SEI اجزاء ضائع ہو سکتے ہیں، اور DMC کلی کرنا جو عمر بڑھنے کے بعد گریفائٹ کی سطح پر جمع ہونے والے موصلیت کے مواد کو ہٹاتا ہے۔ مصنف کے تجربے کی بنیاد پر، نمونے سے ٹریس لی نمکیات کو نکالنے کے لیے عام طور پر تقریباً 1-2 منٹ تک خالص سالوینٹ سے دو بار دھونا ضروری ہے۔ اس کے علاوہ، تقابلی نتائج حاصل کرنے کے لیے تمام تجزیوں کو ہمیشہ اسی طرح دھویا جاتا ہے۔

ICP-OES تجزیہ الیکٹروڈ سے کھرچنے والے فعال مواد کا استعمال کر سکتا ہے، اور یہ میکانی علاج کیمیائی ساخت کو تبدیل نہیں کرتا ہے۔ XRD کو الیکٹروڈز یا سکریپڈ پاؤڈر میٹریل کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے، لیکن الیکٹروڈز میں موجود پارٹیکل اورینٹیشن اور سکریپڈ پاؤڈر میں اس واقفیت کے فرق کا نقصان چوٹی کی طاقت میں فرق کا باعث بن سکتا ہے۔

فعال مواد میں دراڑوں کا مطالعہ کرکے، پوری لتیم آئن بیٹری کا ایک کراس سیکشن تیار کیا جا سکتا ہے (جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے)۔ بیٹری کو کاٹنے کے بعد، الیکٹرولائٹ کو ہٹا دیا جاتا ہے، اور پھر نمونہ ایپوکسی رال اور میٹالوگرافک پالش کرنے کے مراحل کے ذریعے تیار کیا جاتا ہے۔ CT امیجنگ کے مقابلے میں، بیٹری کے کراس سیکشن کا پتہ لگانے کو آپٹیکل مائکروسکوپی، فوکسڈ آئن بیم (FIB) اور اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے حاصل کیا جا سکتا ہے، جو بیٹری کے مخصوص حصوں کے لیے نمایاں طور پر زیادہ ریزولوشن فراہم کرتا ہے۔

2. بیٹری کو جدا کرنے کے بعد مواد کا جسمانی اور کیمیائی تجزیہ

شکل 5 مین بیٹریوں کی تجزیہ اسکیم اور متعلقہ جسمانی اور کیمیائی تجزیہ کے طریقوں کو دکھاتا ہے۔ ٹیسٹ کے نمونے انوڈس، کیتھوڈس، الگ کرنے والے، جمع کرنے والے، یا الیکٹرولائٹس سے آسکتے ہیں۔ ٹھوس نمونے مختلف حصوں سے لیے جا سکتے ہیں: الیکٹروڈ کی سطح، جسم، اور کراس سیکشن۔

شکل 5 لتیم آئن بیٹریوں کے اندرونی اجزاء اور فزیوکیمیکل خصوصیات کے طریقے

مخصوص تجزیہ کا طریقہ تصویر 6 میں دکھایا گیا ہے، بشمول

(1) آپٹیکل خوردبین (شکل 6a)۔

(2) سکیننگ الیکٹران مائکروسکوپ (SEM، شکل 6b)۔

(3) ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ (TEM، شکل 6c)۔

(4) توانائی پھیلانے والی ایکس رے سپیکٹروسکوپی (EDX، Figure 6d) کو عام طور پر SEM کے ساتھ مل کر نمونے کی کیمیائی ساخت کے بارے میں معلومات حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔

(5) ایکس رے فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی (XPS، Figure 6e) تمام عناصر (سوائے H اور He) کے آکسیڈیشن کی حالتوں اور کیمیائی ماحول کے تجزیہ اور تعین کی اجازت دیتی ہے۔ XPS سطح کی حساسیت ہے اور ذرہ کی سطحوں پر کیمیائی تبدیلیوں کو نمایاں کر سکتا ہے۔ XPS کو گہرائی کے پروفائلز حاصل کرنے کے لیے آئن سپٹرنگ کے ساتھ ملایا جا سکتا ہے۔

(6) الیکٹروڈز کی بنیادی ساخت کا تعین کرنے کے لیے inductively coupled plasma Emission spectroscopy (ICP-OES، Figure 6f) استعمال کیا جاتا ہے۔

(7) گلو ایمیشن اسپیکٹروسکوپی (GD-OES، Figure 6g)، گہرائی کا تجزیہ نمونے کا ابتدائی تجزیہ فراہم کرتا ہے اور اس کا پتہ لگاتا ہے کہ پلازما میں پرجوش پھونکنے والے ذرات سے خارج ہونے والی روشنی کا پتہ لگاتا ہے۔ XPS اور SIMS طریقوں کے برعکس، GD-OES گہرا تجزیہ ذرہ کی سطح کے آس پاس تک محدود نہیں ہے، بلکہ الیکٹروڈ سطح سے کلیکٹر تک تجزیہ کیا جا سکتا ہے۔ لہذا، GD-OES الیکٹروڈ کی سطح سے الیکٹروڈ والیوم تک مجموعی معلومات کو تشکیل دیتا ہے۔

(8) فوئیر ٹرانسفارم انفراریڈ سپیکٹروسکوپی (FTIR، Figure 6h) نمونے اور انفراریڈ تابکاری کے درمیان تعامل کو ظاہر کرتی ہے۔ اعلی ریزولیوشن ڈیٹا کو منتخب اسپیکٹرل رینج کے اندر بیک وقت جمع کیا جاتا ہے، اور نمونے کی کیمیائی خصوصیات کا تجزیہ کرنے کے لیے سگنل پر فوئیر ٹرانسفارم لگا کر اصل سپیکٹرم بنایا جاتا ہے۔ تاہم، FTIR کمپاؤنڈ کا مقداری تجزیہ نہیں کر سکتا۔

(9) ثانوی آئن ماس سپیکٹرو میٹری (SIMS، Figure 6i) مادی سطح کی عنصری اور سالماتی ساخت کو نمایاں کرتی ہے، اور سطح کی حساسیت کی تکنیکیں جمع کرنے والے اور الیکٹروڈ مواد پر الیکٹرو کیمیکل پاسیویشن پرت یا کوٹنگ کی خصوصیات کا تعین کرنے میں مدد کرتی ہیں۔

(10) نیوکلیئر مقناطیسی گونج (NMR، Figure 6j) ٹھوس اور سالوینٹ میں گھلنے والے مواد اور مرکبات کی خصوصیت کر سکتا ہے، جو نہ صرف کیمیائی اور ساختی معلومات فراہم کرتا ہے، بلکہ آئن کی نقل و حمل اور نقل و حرکت، الیکٹران اور مقناطیسی خصوصیات کے ساتھ ساتھ تھرموڈینامک اور ان کے بارے میں بھی معلومات فراہم کرتا ہے۔ حرکی خصوصیات

(11) ایکس رے ڈفریکشن (XRD، Figure 6k) ٹیکنالوجی عام طور پر الیکٹروڈز میں فعال مواد کے ساختی تجزیہ کے لیے استعمال ہوتی ہے۔

(12) کرومیٹوگرافک تجزیہ کا بنیادی اصول، جیسا کہ شکل 6l میں دکھایا گیا ہے، مرکب میں موجود اجزاء کو الگ کرنا اور پھر الیکٹرولائٹ اور گیس کے تجزیہ کے لیے پتہ لگانا ہے۔

شکل 6 مختلف تجزیہ کے طریقوں میں پائے جانے والے ذرات کا اسکیمیٹک خاکہ

3. ریکومبیننٹ الیکٹروڈز کا الیکٹرو کیمیکل تجزیہ

3.1 لتیم آدھی بیٹری کو دوبارہ جوڑنا

ناکامی کے بعد الیکٹروڈ کا بٹن نصف بیٹری لتیم کو دوبارہ انسٹال کرکے الیکٹرو کیمیکل تجزیہ کیا جاسکتا ہے۔ دو طرفہ لیپت الیکٹروڈ کے لیے، کوٹنگ کا ایک سائیڈ ہٹا دینا چاہیے۔ تازہ بیٹریوں سے حاصل کیے گئے الیکٹروڈز اور پرانی بیٹریوں سے نکالے گئے الیکٹروڈز کو دوبارہ جوڑا گیا اور اسی طریقے سے مطالعہ کیا گیا۔ الیکٹرو کیمیکل ٹیسٹنگ الیکٹروڈ کی بقیہ (یا باقی) صلاحیت حاصل کر سکتی ہے اور الٹ جانے والی صلاحیت کی پیمائش کر سکتی ہے۔

منفی/لیتھیم بیٹریوں کے لیے، پہلا الیکٹرو کیمیکل ٹیسٹ منفی الیکٹروڈ سے لیتھیم کو ہٹانے کے لیے ہونا چاہیے۔ مثبت/لیتھیم بیٹریوں کے لیے، لیتھیم کو مثبت الیکٹروڈ میں لیتھیئشن کے لیے سرایت کرنے کے لیے پہلا ٹیسٹ ڈسچارج ہونا چاہیے۔ متعلقہ صلاحیت الیکٹروڈ کی باقی صلاحیت ہے۔ الٹنے کی صلاحیت حاصل کرنے کے لیے، نصف بیٹری میں موجود منفی الیکٹروڈ کو دوبارہ لتھائی کیا جاتا ہے، جبکہ مثبت الیکٹروڈ کو ڈیلیٹائز کیا جاتا ہے۔

3.2 پوری بیٹری کو دوبارہ انسٹال کرنے کے لیے ریفرنس الیکٹروڈ استعمال کریں۔

چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران اینوڈ اور کیتھوڈ کی صلاحیت حاصل کرنے کے لیے اینوڈ، کیتھوڈ، اور اضافی ریفرنس الیکٹروڈ (RE) کا استعمال کرتے ہوئے ایک مکمل بیٹری بنائیں۔

خلاصہ میں، ہر فزیکو کیمیکل تجزیہ کا طریقہ صرف لتیم آئن کے انحطاط کے مخصوص پہلوؤں کا مشاہدہ کر سکتا ہے۔ شکل 7 لیتھیم آئن بیٹریوں کو جدا کرنے کے بعد مواد کے لیے جسمانی اور کیمیائی تجزیہ کے طریقوں کے افعال کا ایک جائزہ فراہم کرتا ہے۔ مخصوص عمر رسیدہ میکانزم کا پتہ لگانے کے لحاظ سے، ٹیبل میں سبز رنگ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ طریقہ اچھی صلاحیتوں کا حامل ہے، نارنجی اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ اس طریقہ میں محدود صلاحیتیں ہیں، اور سرخ رنگ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ اس میں کوئی صلاحیت نہیں ہے۔ شکل 7 سے، یہ واضح ہے کہ تجزیہ کرنے کے مختلف طریقوں میں وسیع پیمانے پر صلاحیتیں ہوتی ہیں، لیکن کوئی بھی طریقہ عمر بڑھنے کے تمام میکانزم کا احاطہ نہیں کر سکتا۔ لہذا، لیتھیم آئن بیٹریوں کی عمر بڑھنے کے طریقہ کار کو جامع طور پر سمجھنے کے لیے نمونوں کا مطالعہ کرنے کے لیے مختلف تکمیلی تجزیہ کے طریقے استعمال کرنے کی سفارش کی جاتی ہے۔

شکل 7 پتہ لگانے اور تجزیہ کرنے کے طریقہ کار کی صلاحیتوں کا جائزہ

Waldmann, Thomas, Iturrondobeitia, Amaia, Kasper, Michael, et al. جائزہ — پرانی لتیم آئن بیٹریوں کا پوسٹ مارٹم تجزیہ: جدا کرنے کا طریقہ کار اور فزیکو کیمیکل تجزیہ تکنیک[جے]۔ جرنل آف دی الیکٹرو کیمیکل سوسائٹی، 2016، 163(10):A2149-A2164۔