لیتھیم-آئن بیٹری اینوڈ مواد

◆الائے-قسم کا انوڈ مواد

◆تبدیلی- قسم اینوڈ مواد

◆لتیم دھاتی انوڈ مواد

چارج کرنے کے عمل میںلیتھیم-آئن بیٹریاںمنفی الیکٹروڈ مواد لتیم آئنوں اور الیکٹرانوں کو لے جانے میں اہم کردار ادا کرتا ہے، اور توانائی کے ذخیرہ اور رہائی کے لیے ضروری ہے۔ لاگت کے نقطہ نظر سے، یہ مواد بیٹری کی کل پیداواری لاگت کا 5% تا 15% ہے اور لیتھیم-آئن بیٹری کی پیداوار کے لیے ناگزیر کلیدی خام مال میں سے ایک سمجھا جاتا ہے۔ مثبت الیکٹروڈ مواد کی طرح، منفی الیکٹروڈ مواد لیتھیم-آئن بیٹری ٹیکنالوجی کی ترقی کو فروغ دینے میں انتہائی اہم کردار ادا کرتا ہے۔ حالیہ برسوں میں، بیٹری کی بہتر کارکردگی کی بڑھتی ہوئی مانگ کے ساتھ-خاص طور پر، اعلی توانائی کی کثافت، طاقت کی کثافت، اور بہتر سائیکل استحکام اور حفاظت-محققین نے منفی الیکٹروڈ مواد پر بہت توجہ دی ہے، جو لیتھیم- آئن کے بنیادی اجزاء میں سے ایک ہے۔

بیٹریاں ایک مثالی منفی الیکٹروڈ مواد میں درج ذیل خصوصیات ہونی چاہئیں:

(1) ہلکا پھلکا، مخصوص صلاحیت کو بہتر بنانے کے لیے زیادہ سے زیادہ لی کو ایڈجسٹ کرنا۔

(2) لیتھیم آئن کے اندراج اور نکالنے کے رد عمل کے لیے کم ریڈوکس صلاحیت، جو بیٹری کے زیادہ آؤٹ پٹ وولٹیج کو حاصل کرنے میں مدد کرتا ہے۔

(3) اچھی الیکٹرانک اور آئنک چالکتا۔

(4) الیکٹرولائٹ سالوینٹس میں اگھلنشیل اور لتیم نمکیات کے ساتھ رد عمل ظاہر نہیں کرتا۔ (5) چارجنگ اور ڈسچارج کے بعد بہترین کیمیائی استحکام، اعلیٰ حفاظتی کارکردگی اور سائیکل لائف، اور کم از خود-خارج کی شرح۔

(6) سستا، وافر وسائل، اور ماحول دوست۔

انوڈ مواد کو ان کی کیمیائی ساخت کی بنیاد پر دو اہم زمروں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: کاربن-بیسڈ میٹریل اور غیر-کاربن-بیسڈ میٹریل۔ کاربن- پر مبنی مواد کو مزید گرافیٹک کاربن مواد اور بے کار کاربن مواد میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ غیر-کاربن-بیسڈ مواد میں سلکان-بیسڈ، ٹائٹینیم-بیسڈ، اور مختلف میٹل آکسائیڈز شامل ہیں۔ فی الحال، مارکیٹ میں بڑے پیمانے پر استعمال ہونے والے اینوڈ مواد میں بنیادی طور پر تین قسمیں شامل ہیں: کاربن{11}}کی بنیاد پر مواد، لیتھیم ٹائٹانیٹ (LiTisOi2)، اور کاربن مرکب مواد جس میں سلکان شامل ہے۔ کاربن پر مبنی مواد کو مزید گریفائٹ (قدرتی اور مصنوعی گریفائٹ)، نرم کاربن، اور سخت کاربن میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ ان زمروں میں، مصنوعی گریفائٹ کا مارکیٹ میں سب سے بڑا حصہ ہے۔

انٹرکیلیٹڈ انوڈ مواد

کاربن مواد

لتیم-آئن بیٹریوں کی نشوونما میں، کاربن پر مبنی مواد کو استعمال کرنے کی اختراع میٹالک لیتھیم کو تبدیل کرنے کے لیے انوڈ کے طور پر اس ٹیکنالوجی میں ایک اہم پیش رفت ہے۔ آج تک، کوئی دوسری قسم کا اینوڈ مواد اس کی قیمت-تاثریت اور کارکردگی سے مماثل نہیں ہے۔ لہذا، یہ توقع کی جاتی ہے کہ کاربن پر مبنی مواد کافی عرصے تک بڑے-پیمانے کے تجارتی ایپلی کیشنز کے لیے بنیادی انتخاب رہیں گے۔ گرافٹائزیشن کی ڈگری کی بنیاد پر، کاربن پر مبنی مواد کو انوڈ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، ان کو تین زمروں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: گریفائٹ، نرم کاربن، اور سخت کاربن۔ غیر-گریفائٹ کاربن مواد اعلی-درجہ حرارت کی پروسیسنگ کے دوران گریفائٹ میں تبدیل ہونے کے رجحان کو ظاہر کرتا ہے۔ تاہم، کچھ مادے اس تبدیلی کا زیادہ شکار ہوتے ہیں اور ان کی تعریف نرم کاربن سے ہوتی ہے۔ جب کہ جن کا عمل مکمل کرنا مشکل ہے انہیں سخت کاربن کہا جاتا ہے۔ عام طور پر، نرم کاربن خام مال جیسے کوئلے کے ٹار یا پیٹرولیم پچ سے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ اس کے برعکس، سخت کاربن زیادہ تر اجزاء جیسے فینولک رال یا سوکروز سے ترکیب کیا جاتا ہے۔ فی الحال، نرم کاربن کے میدان میں سب سے زیادہ زیر مطالعہ مضامین میں سے ایک میسوفیس کاربن مائکرو اسپیئرز ہے۔ جب لیتھیم-آئن بیٹریوں میں منفی الیکٹروڈ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے تو گرافک اور غیر-گرافیٹک کاربن مواد کے اپنے فائدے اور نقصانات ہوتے ہیں۔ اس کی بنیاد پر، محققین اپنی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے ان کاربن مواد کی سطح کو تبدیل کرنے اور تبدیل کرنے کے لیے اکثر مختلف ذیلی حصوں کا استعمال کرتے ہیں۔

گریفائٹ، ایک تہہ دار مواد کے طور پر (شکل 5-8)، ایک اندرونی ڈھانچہ ہے جس میں ایٹموں کے مسدس فریم ورک پر مشتمل ہے جو ایک sp2 ہائبرڈ حالت میں ترتیب دیا گیا ہے، جو دو جہتوں میں پھیلا ہوا ہے۔ ہر پرت کے اندر، کاربن ایٹم ایک مضبوط مسدس گرڈ ڈھانچہ بناتے ہیں جس میں کاربن-کاربن ایٹم کا فاصلہ 0.142 nm ہے اور بانڈ انرجی 345 kJ/mol، انتہائی مضبوط استحکام کی نمائش کرتی ہے۔ اس کے برعکس، مختلف تہوں کے درمیان کاربن کے ایٹم کمزور وین ڈیر والز قوتوں کے ذریعے جڑے ہوئے ہیں، صرف 16.7 kJ/mol کی تعامل توانائی کے ساتھ، 0.3354 nm کے ناپے گئے انٹرپلانر اسپیسنگ کے مساوی ہے۔ لیتھیم آئن گریفائٹ کی چھ کاربن تہوں کے درمیان الٹنے کے قابل اندراج اور نکالنے سے گزر سکتے ہیں، لتیم کو ذخیرہ کرنے کے لیے LiC6 مرکبات تشکیل دیتے ہیں۔ اس عمل کے دوران، انٹر لیئر سپیسنگ نمایاں طور پر تبدیل ہو جاتی ہے۔ LiC6 کے لیے، یہ قدر 0.37 nm بن جاتی ہے، اس طرح 372 mA·h/g کی نظریاتی زیادہ سے زیادہ مخصوص صلاحیت حاصل ہوتی ہے۔ مزید برآں، گریفائٹ کی بہترین چالکتا مواد کے اندر تیزی سے الیکٹران کی منتقلی کی سہولت فراہم کرتی ہے۔ تاہم، جب منفی الیکٹروڈ مواد کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، تو گریفائٹ بھی کچھ خرابیاں پیش کرتا ہے: اس کا نسبتاً کم لتیم اندراج/ایکسٹریکشن وولٹیج پلیٹاو چارجنگ یا ڈسچارج کے دوران لیتھیم ڈینڈرائٹس کی نشوونما کا باعث بن سکتا ہے۔ ایک بار جب یہ ڈینڈرائٹس بیٹری الگ کرنے والے میں گھس جاتے ہیں، تو وہ اندرونی شارٹ سرکٹ کا سبب بن سکتے ہیں، جس سے ممکنہ طور پر آگ لگ سکتی ہے یا دھماکے بھی ہو سکتے ہیں، جس سے بیٹری کی حفاظت کو خطرہ ہو سکتا ہے۔

شکل 5-8 گریفائٹ پرتوں والے ڈھانچے کا اسکیمیٹک خاکہ

گریفائٹ کو بنیادی طور پر دو قسموں میں تقسیم کیا گیا ہے: قدرتی گریفائٹ اور مصنوعی گریفائٹ۔ قدرتی گریفائٹ، جسے مختصراً NG (قدرتی گریفائٹ) کہا جاتا ہے، ایک اعلی-کاربن مواد سے مراد ہے جو فطرت سے نکالا جاتا ہے اور سادہ پروسیسنگ کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے۔ اس میں پرتوں والے کرسٹل ڈھانچے کی دو مختلف شکلیں ہیں: ہیکساگونل اور رومبک۔ یہ مواد نہ صرف ذخائر میں وافر ہے، بلکہ قیمت میں بھی کم اور ماحول دوست ہے۔ تاہم، لیتھیم-آئن بیٹری ایپلی کیشنز میں، سطح کی سرگرمی کی غیر مساوی تقسیم اور قدرتی گریفائٹ پاؤڈر ذرات کے بڑے اناج کی وجہ سے، اس کی سطح کے کرسٹل ڈھانچے کو چارج-ڈسچارج سائیکل کے دوران آسانی سے نقصان پہنچتا ہے، جس سے SEI فلم کی غیر مساوی کوریج ہوتی ہے اور بیٹری کی ابتدائی کولمبک کارکردگی اور کارکردگی کو متاثر کرتی ہے۔ ان چیلنجوں پر قابو پانے کے لیے، محققین نے قدرتی گریفائٹ کی خصوصیات کو بہتر بنانے کے لیے مختلف تکنیکیں تیار کی ہیں، جیسے اسفیرائیڈائزیشن، آکسیڈیشن سطح کا علاج، فلورینیشن، اور سطح کاربن کوٹنگ، جس کا مقصد اس کی سطح کی خصوصیات اور مائیکرو اسٹرکچر کو بہتر بنانا ہے۔

مصنوعی گریفائٹ آسانی سے گرافیٹائزڈ کاربن مواد کی اعلی-درجہ حرارت گرافیٹائزیشن کے ذریعہ تیار کیا جاسکتا ہے۔ اس قسم کا مواد بڑے پیمانے پر لتیم-آئن بیٹریوں میں اینوڈ مواد کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔ قدرتی گریفائٹ کے مقابلے میں، مصنوعی گریفائٹ طویل سائیکل زندگی، اعلی-درجہ حرارت ذخیرہ کرنے کی صلاحیت، اور اعلی-ریٹ کی کارکردگی کے لحاظ سے اہم فوائد کی نمائش کرتا ہے، جو اسے چین میں توانائی کی نئی گاڑیوں میں استعمال ہونے والی لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے ترجیحی اینوڈ مواد میں سے ایک بناتا ہے۔ اس کی بڑی مخصوص صلاحیت اور نسبتاً کم لاگت کی وجہ سے، مصنوعی گریفائٹ کو پاور بیٹریوں اور وسط-سے-اعلی-کنزیومر الیکٹرانکس مصنوعات میں بھی بڑے پیمانے پر استعمال کیا جاتا ہے۔ اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ 2021 میں، مصنوعی گریفائٹ تمام اینوڈ مواد کی ترسیل کا 84٪ تھا۔

غیر-گریفائٹ کاربن مواد کو بنیادی طور پر دو قسموں میں تقسیم کیا گیا ہے: سخت کاربن اور نرم کاربن۔ ہارڈ کاربن سے مراد کاربن مواد کی ایک قسم ہے جو انتہائی زیادہ درجہ حرارت (2800 ڈگری سے اوپر) پر بھی گریفائٹ ڈھانچے میں تبدیل ہونا مشکل ہے۔ یہ مواد عام طور پر کچھ پولیمر کو پائرولائز کرکے حاصل کیا جاتا ہے۔ خاص طور پر، سخت کاربن کے عام ذرائع میں مختلف رال کاربن شامل ہیں (جیسے فینولک رال، پولیفورفوریل الکحل رال PFA-C، اور epoxy resins)، مخصوص پولیمر کے پائرولیسس سے بننے والا کاربن (جیسے کہ پولی وینیل الکحل (PVA)، پولی وینیلائڈین فلورائیڈن (پی ایف اے)، پولی ونائل الکوحل (پی وی اے)، پولی ونائلڈن فلورائڈ (پی ایف اے) اور کاربن۔ سیاہ مصنوعات جیسے ایسیٹیلین بلیک)۔ تیاری کے عمل کے دوران، سخت کاربن کے اندر بڑی تعداد میں جالیوں کے نقائص پیدا ہوتے ہیں، جو لیتھیم آئنوں کو نہ صرف کاربن کی تہوں کے درمیان آپس میں ملتے ہیں بلکہ ان خرابی والے خطوں کو بھی بھر سکتے ہیں، اس طرح اس مواد سے بنائے گئے انوڈز کو ایک اعلیٰ مخصوص صلاحیت (350 اور 500 mA·b/g کے درمیان) ملتی ہے، جو کہ مجموعی طور پر لیتھیم کے لیے بہت فائدہ مند ہے۔ بیٹریاں تاہم، جب سخت کاربن کو اینوڈ مواد کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے تو مذکورہ بالا جالی کے نقائص بھی کم ابتدائی کولمبک کارکردگی اور ناقص سائیکل استحکام کا باعث بنتے ہیں۔ آج تک، ان مسائل کی وجہ سے، تجارتی طور پر تیار کی جانے والی لیتھیم-آئن بیٹریوں میں سخت کاربن کا بڑے پیمانے پر استعمال نہیں کیا گیا ہے، اور اسے بڑے پیمانے پر استعمال کرنے میں ابھی بھی کچھ رکاوٹیں موجود ہیں۔

نرم کاربن سے مراد بے ساختہ کاربن مواد ہے جو اعلی-درجہ حرارت کے حالات (2800 ڈگری سے اوپر) میں آسانی سے گرافٹائز کرتے ہیں۔ ان مواد میں پچ، سوئی کوک، پیٹرولیم کوک، اور کاربن فائبر شامل ہیں۔ نرم کاربن میں گریفائٹائزیشن کی کم سطح کی وجہ سے، اس کی ساخت میں متعدد نقائص ہیں، جو اسے الٹ کر زیادہ لتیم آئنوں کو ایڈجسٹ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ اس کے ساتھ ساتھ، بڑی انٹر لیئر سپیسنگ الیکٹرولائٹ کی رسائی کو فروغ دیتی ہے۔ لہذا، ان خصوصیات کی بنیاد پر، نرم کاربن مواد ابتدائی خارج ہونے کے دوران اعلی صلاحیت کی نمائش کرتے ہیں. تاہم، اس کی ساختی عدم استحکام کی وجہ سے، اس کی ناقابل واپسی صلاحیت بھی نسبتاً زیادہ ہے۔ مزید برآں، نرم کاربن کی اندرونی ساخت کی بے قاعدگی لیتھیم-آئن ایکٹیو سائٹس کی مختلف توانائی کی تقسیم کا باعث بنتی ہے، جس کے نتیجے میں چارج اور ڈسچارج کے دوران ایک متعین وولٹیج پلیٹیو کی کمی ہوتی ہے، جو اس کے عملی استعمال کو محدود کرتی ہے۔

ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ

ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ (TiO2) لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے ایک منفی الیکٹروڈ مواد کے طور پر بڑی صلاحیت کو ظاہر کرتا ہے، نہ صرف بڑے پیمانے پر پیداوار اور کم لاگت کے لیے اس کی فزیبلٹی کی وجہ سے، بلکہ اس لیے بھی کہ یہ 1.5V کے آپریٹنگ وولٹیج (Li/Li کے نسبت) پر بہترین حفاظت اور استحکام کو ظاہر کرتا ہے۔ اس کے علاوہ، TiO2 قابل ذکر خصوصیات کا ایک سلسلہ رکھتا ہے: اعلی الیکٹرو کیمیکل سرگرمی، مضبوط آکسائڈائزنگ طاقت، اچھی کیمیائی استحکام، وافر قدرتی وسائل، اور متنوع کرسٹل ڈھانچے۔

یہ فوائد اجتماعی طور پر TiO2 کو لیتھیم-آئن بیٹریوں (خاص طور پر ہائبرڈ الیکٹرک گاڑیوں کے میدان میں) کے لیے ایک مثالی منفی الیکٹروڈ مواد کے انتخاب میں سے ایک بناتے ہیں۔

نظریاتی طور پر، TiO2 کا ہر یونٹ ماس ایک لیتھیم آئن کو ذخیرہ کر سکتا ہے، جو کہ 330 mA·h/g کی گنجائش کے مطابق ہے، جو LiTiO2 کی نظریاتی صلاحیت سے تقریباً دوگنا ہے۔ تاہم، عملی طور پر، یہ پایا گیا ہے کہ اس نظریاتی زیادہ سے زیادہ لتیم ذخیرہ کرنے کی صلاحیت کو حاصل کرنا کافی مشکل ہے۔ بہت سے عوامل ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ میں لتیم آئن کے داخل کرنے اور نکالنے کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں، بشمول مواد کی کرسٹلنیٹی، ذرات کا سائز، اندرونی ساختی خصوصیات، اور سطح کے مخصوص رقبے تک محدود نہیں۔ یہ بات قابل غور ہے کہ TiO2 مختلف کرسٹل مراحل میں موجود ہے، جس میں سب سے زیادہ مشہور ٹیٹراگونل کرسٹل سسٹم میں روٹائل اور اناٹیز کی قسمیں ہیں، اور آرتھرومبک کرسٹل سسٹم میں بروکیٹ قسم۔