سردیوں میں لیتھیم بیٹری کی صلاحیت کیوں کم ہو جاتی ہے؟

سردیوں میں لیتھیم بیٹری کی صلاحیت کیوں کم ہوتی ہے؟

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، یہ ضروری ہے کہ بیٹری عام طور پر -40 ℃ پر چل سکے۔ 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۔
• الیکٹرولائٹ، منفی الیکٹروڈ، اور الگ کرنے والے کے درمیان مطابقت کم درجہ حرارت والے ماحول میں بگڑ جاتی ہے۔
• کم درجہ حرارت والے ماحول میں لیتھیم آئن بیٹریوں کے منفی الیکٹروڈ کو شدید لتیم بارش کا سامنا کرنا پڑتا ہے، اور تیز دھاتی لتیم الیکٹرولائٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتا ہے، جس کے نتیجے میں اس کی مصنوعات جمع ہوتی ہیں اور ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) کی موٹائی میں اضافہ ہوتا ہے۔
• کم درجہ حرارت والے ماحول میں، فعال مواد کے اندر لیتھیم آئن بیٹریوں کا پھیلاؤ کا نظام کم ہو جاتا ہے، اور چارج ٹرانسفر مائبادا (Rct) نمایاں طور پر بڑھ جاتا ہے۔

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

ماہر کی رائے 1: لیتھیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر الیکٹرولائٹ کا سب سے زیادہ اثر پڑتا ہے، اور الیکٹرولائٹ کی ساخت اور فزیکو کیمیکل خصوصیات بیٹریوں کے کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر اہم اثر ڈالتی ہیں۔ بیٹریوں کے کم درجہ حرارت پر سائیکل چلانے میں جو مسئلہ درپیش ہوتا ہے وہ یہ ہے کہ الیکٹرولائٹ کی viscosity بڑھ جاتی ہے، آئن کی ترسیل کی رفتار کم ہو جاتی ہے، اور بیرونی سرکٹ میں الیکٹرانوں کی منتقلی کی رفتار مماثل نہیں ہوتی، جس کے نتیجے میں بیٹری کی شدید پولرائزیشن اور تیز رفتار چارج کرنے اور خارج کرنے کی صلاحیت میں 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۔

الیکٹرولائٹ کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی اس کی اپنی چالکتا سے گہرا تعلق رکھتی 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، اتنی ہی زیادہ منتقلی ہوتی ہے، اور 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۔

ایک الیکٹرولائٹ کی چالکتا اس کی ساخت سے متعلق ہے، اور سالوینٹ کی viscosity کو کم کرنا الیکٹرولائٹ کی چالکتا کو بہتر بنانے کے طریقوں میں سے ایک ہے۔ کم درجہ حرارت پر سالوینٹس کی اچھی روانی 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 جھلی 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 مثبت الیکٹروڈ مواد ہے۔ اس کے نمائندہ مادوں میں LiCoO2، Li (Co1 xNix) O2، اور Li (Ni, Co, Mn) O2 شامل ہیں۔

Xie Xiaohua et al. LiCoO2/MCMB کا مطالعہ کیا اور اس کی کم درجہ حرارت چارجنگ اور ڈسچارج کی خصوصیات کا تجربہ کیا۔

نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جیسے جیسے درجہ حرارت کم ہوا، ڈسچارج پلیٹیو 3.762V (0 ℃) سے کم ہو کر 3.207V (-30 ℃) ہو گیا۔ بیٹری کی کل صلاحیت بھی تیزی سے 78.98mA · h (0 ℃) سے گھٹ کر 68.55mA · h (-30 ℃) ہو گئی ہے۔

2. اسپنل سٹرکچرڈ کیتھوڈ 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 کیتھوڈ 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 مثبت الیکٹروڈ مواد بن گیا ہے۔ لتیم آئرن فاسفیٹ کی خراب کم درجہ حرارت کی کارکردگی بنیادی طور پر اس کا مواد ایک انسولیٹر، کم الیکٹرانک چالکتا، ناقص لتیم آئن پھیلاؤ، اور کم درجہ حرارت پر خراب چالکتا ہونے کی وجہ سے ہے، جو بیٹری کی اندرونی مزاحمت کو بڑھاتا ہے اور پولرائزیشن سے بہت متاثر ہوتا ہے۔ ، بیٹری کی چارجنگ اور ڈسچارج میں رکاوٹ ہے، جس کے نتیجے میں غیر تسلی بخش کم درجہ حرارت کی کارکردگی ہوتی ہے۔

کم درجہ حرارت پر LiFePO4 کے چارج اور خارج ہونے والے رویے کا مطالعہ کرتے وقت، Gu Yijie et al. پتہ چلا کہ اس کی کولمبک کارکردگی بالترتیب 55 ℃ پر 100٪ سے کم ہو کر 0 ℃ پر 96٪ اور -20 ℃ پر بالترتیب 64٪ ہو گئی۔ ڈسچارج وولٹیج 55 ℃ پر 3.11V سے کم ہو کر -20 ℃ پر 2.62V ہو جاتا ہے۔

زنگ وغیرہ۔ نینو کاربن کا استعمال کرتے ہوئے LiFePO4 میں ترمیم کی اور پتہ چلا کہ نینو کاربن کنڈکٹیو ایجنٹوں کے اضافے نے درجہ حرارت کے لیے LiFePO4 کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کی حساسیت کو کم کیا اور اس کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو بہتر بنایا؛ 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، LiFePO4 کے مقابلے LiMnPO4 کی کم ionic چالکتا کی وجہ سے، Fe اکثر Mn کو جزوی طور پر تبدیل کرنے کے لیے LiMn0.8Fe0.2PO4 ٹھوس حل بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا 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 کے کم درجہ حرارت میں کمی کا رجحان زیادہ شدید ہے، بنیادی طور پر درج ذیل تین وجوہات کی وجہ سے:

• کم درجہ حرارت کی اعلی شرح 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 قطبی گروپس کی ایک بڑی تعداد پر مشتمل 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 اثرات 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 کی تشکیل کی کارکردگی بیٹری کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر نمایاں اثر ڈالتی ہے۔ کم درجہ حرارت والے الیکٹرولائٹس 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 تعامل کی قوت، اور زیادہ پگھلنے کا مقام اور چپکنے والی ہوتی ہے۔ تاہم، سرکلر ڈھانچے کی طرف سے لایا جانے والی بڑی قطبیت کے نتیجے میں اکثر ہائی ڈائی الیکٹرک مستقل ہوتا 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 آئن چالکتا بھی اتنی ہی زیادہ ہوگی۔ تاہم، الیکٹرولائٹ میں لتیم آئنوں کا ارتکاز لتیم نمکیات کے ارتکاز سے قطعی طور پر منسلک نہیں ہے، بلکہ ایک پیرابولک شکل کی نمائش کرتا 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 اثر کا مطالعہ کیا اور پتہ چلا کہ صلاحیت برقرار رکھنے کے لحاظ سے، الیکٹروڈ کا بوجھ جتنا چھوٹا ہوگا اور کوٹنگ کی تہہ جتنی پتلی ہوگی، اتنا ہی بہتر ہوگا۔ 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 باعث 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 الگ کرنے والا سبھی لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں۔ اس کے علاوہ، بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر مواد اور عمل کے نقائص کے اثرات کو نظر انداز نہیں کیا جا سکتا۔

Sختم

لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے، درج ذیل نکات کو اچھی طرح سے انجام دینے کی ضرورت ہے:

(1) ایک پتلی اور گھنی SEI فلم بنانا؛

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

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

اس کے علاوہ، تحقیق ایک مختلف نقطہ نظر اختیار کر سکتی ہے اور دوسری قسم کی لتیم آئن بیٹری پر توجہ مرکوز کر سکتی ہے - تمام ٹھوس حالت والی لتیم 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 وہ 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۔