کیتھوڈ مواد a میں لتیم آئنوں کا بنیادی ذریعہ ہے۔لیتھیم-آئن بیٹری. چارجنگ کے دوران، لتیم آئن کیتھوڈ مواد کے کرسٹل جالی سے نکالے جاتے ہیں اور انوڈ مواد میں داخل ہوتے ہیں؛ الٹ ڈسچارج کے دوران ہوتا ہے. چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران کیتھوڈ مواد کی الٹ جانے والی صلاحیت اور وولٹیج پلیٹیو بڑی حد تک لتیم-آئن بیٹری کی توانائی کی کثافت کا تعین کرتی ہے۔ مزید برآں، کیونکہ کیتھوڈ مواد میں دھاتیں جیسے لتیم، کوبالٹ، اور نکل شامل ہیں، یہ لتیم-آئن بیٹری کی قیمت کا سب سے اہم جز ہے۔
اعلی توانائی کی کثافت، اعلی آؤٹ پٹ وولٹیج، طویل سروس کی زندگی، اور تعمیر میں آسانی کے ساتھ کیتھوڈ مواد تیار کرنا بہت اہمیت کا حامل ہے۔ ایک مثالی کیتھوڈ مواد کو درج ذیل بنیادی شرائط کو پورا کرنا چاہیے۔
(1) بیٹری کے لیے اعلی آؤٹ پٹ وولٹیج کو یقینی بناتے ہوئے، ایک اعلی ریڈوکس صلاحیت رکھتا ہے۔
(2) بیٹری کی اعلی صلاحیت کو یقینی بناتے ہوئے زیادہ سے زیادہ لتیم آئنوں کو ایڈجسٹ کر سکتے ہیں۔
(3) لتیم آئنوں کے اندراج اور نکالنے کے دوران، کیتھوڈ مواد اپنی ساختی استحکام کو برقرار رکھ سکتا ہے، اس طرح الیکٹروڈ کے لیے طویل سائیکل کی زندگی کو یقینی بناتا ہے۔
(4) بہترین الیکٹرانک اور آئن چالکتا رکھتا ہے، جو پولرائزیشن اثرات کی وجہ سے ہونے والے توانائی کے نقصان کو مؤثر طریقے سے کم کرتا ہے، اس طرح بیٹری کی تیز رفتار چارج اور خارج ہونے کی صلاحیتوں کو یقینی بناتا ہے۔
(5) بیٹری کی آپریٹنگ وولٹیج کی حد الیکٹرولائٹ کی الیکٹرو کیمیکل استحکام کی حد کے اندر ہونی چاہیے، اس طرح الیکٹروڈ مواد اور الیکٹرولائٹ کے درمیان غیر ضروری کیمیائی رد عمل کو کم سے کم کرنا چاہیے۔
(6) نہ صرف اس کی کم قیمت اور ایک سادہ ترکیب کا عمل ہونا چاہیے بلکہ اس میں اعلیٰ ماحولیاتی دوستی کا مظاہرہ بھی ہونا چاہیے۔
مزید برآں، کیتھوڈ مواد کو بہترین الیکٹرو کیمیکل اور تھرمل استحکام کا بھی مظاہرہ کرنا چاہیے۔
موجودہ کیتھوڈ مواد کو بنیادی طور پر ان کے کرسٹل ساخت کے فرق کی بنیاد پر تین اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: ① تہوں والی ساخت، جیسے لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ (LiCoO2) اور ٹرنری مواد (LiNiCo, Mni-x-yO2)؛ ② زیتون کی ساخت، جیسے لتیم آئرن فاسفیٹ (LiFePO4)؛ ③ اسپنل سٹرکچر آکسائڈز، جیسے لیتھیم مینگنیج آکسائیڈ (LiMn2O4) اور لتیم نکل مینگنیج آکسائیڈ (LiNi10.5Mn1.5O4)۔ کیتھوڈس کی مختلف اقسام میں مختلف توانائی کی کثافت، الیکٹرو کیمیکل خصوصیات اور اخراجات ہوتے ہیں، جو بالآخر انہیں مختلف شعبوں اور اطلاق کے منظرناموں کے لیے موزوں بناتے ہیں۔ پرتوں والے ڈھانچے والے کیتھوڈ مواد سے مراد ایک تہوں والی مائیکرو کرسٹل لائن ساخت کے ساتھ کیتھوڈ مواد ہے، جس میں بنیادی طور پر لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ، لتیم نکل کوبالٹ مینگنیز آکسائیڈ، اور لیتھیم- سے بھرپور مینگنیج آکسائیڈ شامل ہیں۔ ان میں سے، لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ اور لیتھیم نکل کوبالٹ مینگنیز آکسائیڈ اس وقت ڈیجیٹل الیکٹرانک مصنوعات میں لیتھیم-آئن بیٹریوں اور پاور لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے سب سے زیادہ استعمال ہونے والے کیتھوڈ مواد ہیں۔ وہ اعلی توانائی کی کثافت، بہترین سائیکل کی کارکردگی، اور اچھی مجموعی کارکردگی کی خصوصیت رکھتے ہیں، لیکن نکل، کوبالٹ، اور مینگنیج جیسی دھاتوں کا زیادہ تناسب زیادہ لاگت کا باعث بنتا ہے۔
لتیم کوبالٹ آکسائیڈ کیتھوڈ مواد
لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ (LiCoO2) امریکی سائنسدان اور کیمسٹری میں نوبل انعام یافتہ JB Goodenough نے دریافت کیا تھا اور پہلی بار 1990 کی دہائی میں جاپان کی سونی کارپوریشن نے اس کی مارکیٹنگ کی تھی۔ آج بھی، لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ سب سے زیادہ حجمی توانائی کی کثافت کے ساتھ کیتھوڈ مواد میں سے ایک ہے۔ اس وجہ سے، یہ ڈیجیٹل پاؤچ سیل پروڈکٹس میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے جن کے لیے اعلی حجم والی توانائی کی کثافت کی ضرورت ہوتی ہے، جیسے کہ موبائل فون، سمارٹ واچز، اور بلوٹوتھ ہیڈسیٹ۔
Lithium cobalt oxide (LiCoO2), as one of the earliest commercially available cathode materials, possesses a volumetric energy density unmatched by other cathode materials. Electrodes prepared from LiCoO2 can achieve a compaction density exceeding 4.2 g/cm², and a specific capacity of 185 mA·h/g at high voltage (>4.45V)۔ مزید برآں، LiCoO2 نسبتاً اعلیٰ الیکٹرانک اور آئنک چالکتا، بجلی کی کارکردگی، اور تیز-چارج کرنے کی خصوصیات، موجودہ کنزیومر الیکٹرانکس بیٹریوں کی ضروریات کو پورا کرتا ہے اور اس طرح ایپلی کیشنز کی ایک وسیع رینج رکھتا ہے۔ ان خصوصیات کی بنیاد پر، LiCoO2 آج تک کیتھوڈ کے بہترین مواد میں سے ایک ہے۔
لیتھیم کوبالٹ آکسائیڈ کے لیے ترکیب کے اہم طریقوں میں اعلی-درجہ حرارت ٹھوس-ریاست کی ترکیب، سول-جیل کی ترکیب، اور کم-درجہ حرارت کو پریسیپیٹیشن شامل ہیں۔ اعلی-درجہ حرارت ٹھوس-ریاست کی ترکیب میں لتیم نمکیات اور کوبالٹ-ایک مخصوص سٹوچیومیٹرک تناسب میں آکسائیڈ یا ہائیڈرو آکسائیڈز کو ملانا، پھر ایک خاص وقت کے لیے ایک مناسب درجہ حرارت پر مرکب کو کیلسین کرنا، اس کے بعد ٹھنڈا کرنا، پلورائز کرنا اور نمونہ حاصل کرنا شامل ہے۔ اگرچہ اعلی-درجہ حرارت ٹھوس-ریاست کی ترکیب کا طریقہ صنعتی پیداوار میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے، لیکن یہ وقت لگتا ہے، اعلی ترکیب درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے، اور بڑے، غیر مساوی طور پر یکساں پاؤڈر تیار کرتا ہے جس میں اہم اسٹوچیومیٹرک انحراف ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں لاگت میں خاطر خواہ اضافہ ہوتا ہے۔
فاسفیٹ کیتھوڈ مواد
1997 میں، Goodenough et al. پہلی تجویز کردہ لیتھیم آئرن فاسفیٹ (LiFePO4) لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے کیتھوڈ مواد کے طور پر۔
اس کی کم قیمت، مستحکم ساخت، اور اعلی حفاظت کی وجہ سے، یہ مواد بتدریج الیکٹرک بسوں اور توانائی ذخیرہ کرنے والے نظاموں میں لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے ترجیحی کیتھوڈ مواد میں سے ایک بن گیا ہے۔
لیتھیم آئرن فاسفیٹ (LiFePO4) آئرن فاسفیٹ (FePO4) کے ساتھ ملتے جلتے کرسٹل ڈھانچے اور کرسٹل سسٹم کا اشتراک کرتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ لتیم-آئن داخل کرنے/نکالنے کے دوران مواد کم سے کم حجم میں تبدیلی کا تجربہ کرتا ہے، مؤثر طریقے سے حجم کی توسیع یا سکڑاؤ کی وجہ سے جالی کو پہنچنے والے نقصان کو روکتا ہے۔ مزید برآں، یہ خصوصیت ذرات اور کنڈکٹو ایڈیٹیو کے درمیان اچھے برقی رابطے کو یقینی بناتی ہے، جس کے نتیجے میں سائیکل کا بہترین استحکام اور لمبی عمر ہوتی ہے۔ اس کے علاوہ، لیتھیم آئرن فاسفیٹ اپنی ماحولیاتی دوستی، لاگت-مؤثریت، بہترین حفاظت، اعلیٰ مخصوص صلاحیت (تقریباً 170 mA·h/g)، اور مستحکم چارج/ڈسچارج پلیٹ فارم کے لیے مشہور ہے۔ ان فوائد کو دیکھتے ہوئے، لیتھیم آئرن فاسفیٹ کو بڑے پیمانے پر توانائی ذخیرہ کرنے والے ایپلی کیشنز میں کیتھوڈ مواد کے لیے ایک مثالی انتخاب سمجھا جاتا ہے۔
طریقوں میں سول-جیل کے عمل، کوپریسیپیٹیشن تکنیک، اور ہائیڈرو تھرمل ترکیب شامل ہیں۔ خاص طور پر، ہائیڈرو تھرمل ترکیب آسانی سے دستیاب آئرن، لیتھیم اور فاسفورس مرکبات کو خام مال کے طور پر استعمال کرتے ہوئے درجہ حرارت اور دباؤ کو بڑھا کر آٹوکلیو میں ہدف کی مصنوعات کو براہ راست تیار کرتی ہے۔ یہ طریقہ اپنے سادہ آپریشن، چھوٹے اور یکساں ذرہ سائز، اور کم توانائی کی کھپت کے لیے جانا جاتا ہے۔ تاہم، اس کی صنعتی پیداوار کے لیے حدود ہیں، بنیادی طور پر خاص طور پر ڈیزائن کیے گئے دباؤ-مزاحم کنٹینرز کی ضرورت کی وجہ سے۔ دوسری طرف، Coprecipitation، ایک حل کے نظام میں منعقد کیا جاتا ہے، جہاں پیشگی مورفولوجی مختلف عوامل سے متاثر ہوتی ہے جیسے ارتکاز، درجہ حرارت کنٹرول، pH ایڈجسٹمنٹ، اور ہلچل کی شرح۔ حتمی سنٹرڈ LiFePO مواد کی کارکردگی میں یہ پیرامیٹرز جو فیصلہ کن کردار ادا کرتے ہیں اس کے پیش نظر، تجرباتی حالات کا محتاط انتخاب بہت ضروری ہے۔ اس طریقہ سے تیار کردہ مصنوعات نہ صرف بہترین مائیکرو اسٹرکچر خصوصیات (یعنی چھوٹے اور یکساں ذرہ سائز) کے مالک ہیں بلکہ اعلی الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کی بھی نمائش کرتے ہیں۔ تاہم، یہ بات قابل غور ہے کہ آپریشن کا پورا عمل نسبتاً پیچیدہ ہے، اور پروسیسنگ کے دوران فلٹریشن چیلنجز اور ویسٹ مینجمنٹ کے مسائل پیدا ہو سکتے ہیں۔
لیتھیم مینگنیج آکسائیڈ اور لیتھیم-مشتمل مینگنیج-کیتھوڈ پر مبنی مواد
لتیم مینگنیج آکسائیڈ
لتیم-آئن بیٹری کیتھوڈ مواد کی تحقیق میں، ایک اور اہم اور تجارتی طور پر دستیاب کیتھوڈ مواد اسپائنل-سٹرکچرڈ لیتھیم مینگنیج آکسائیڈ (LiMn₂O₄) کیتھوڈ مواد ہے جسے Thackeray et al نے تجویز کیا ہے۔ 1983 میں۔ اسپنل- ساختہ لتیم مینگنیج آکسائیڈ کا تعلق کیوبک کرسٹل سسٹم سے ہے۔ اس کی مخصوص کیمیائی ساخت LiMn₂O₄ ہے۔ LiMn₂O₄ کرسٹل ڈھانچے میں، آکسیجن ایک چہرے-مرکزی مکعب کے قریب-پیک ڈھانچے میں ہوتی ہے، جب کہ مینگنیج اور آکسیجن ایک آکٹہڈرل ڈھانچہ بناتے ہیں، جیسا کہ ذیل کی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔
مینگنیج فطرت میں وافر مقدار میں پایا جاتا ہے، اور اسپنل-قسم کے لیتھیم مینگنیج آکسائیڈ (LiMn2O4) کی تیاری کی تکنیک متنوع خصوصیات کو ظاہر کرتی ہے۔ مواد کی ترکیب کا راستہ اور پروسیسنگ ٹیکنالوجی حتمی مصنوع کے مائکرو اسٹرکچر اور اناج کی نشوونما کو براہ راست متاثر کرتی ہے۔ لہذا، ان ترکیب کے عمل کو بہتر بنانا عملی ایپلی کیشنز میں الیکٹروڈ مواد کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے بہت ضروری ہے۔ فی الحال، صنعت اور اکیڈمیا بڑے پیمانے پر LiMn2O4 کو تیار کرنے کے لیے دو اہم قسم کے طریقے استعمال کرتے ہیں: ایک ٹھوس خام مال کے درمیان تعامل پر مبنی ہے، جیسے کہ اعلی-درجہ حرارت ٹھوس-ریاست کے رد عمل، مائیکرو ویو-مدد کی ترکیب، اور پگھلے ہوئے نمک کے ذرائع ابلاغ میں امپریگنیشن ٹریٹمنٹ۔
ایک اور زمرے میں مائع ماحول میں کیمیائی تبدیلی شامل ہے، جس میں عام مثالیں شامل ہیں جن میں سول-جیل ٹیکنالوجی، ہائیڈرو تھرمل ترکیب، اور کوپریسیپیٹیشن تکنیک شامل ہیں۔ LiMnzO4 نے اپنی قیمت کے فائدہ، بہترین تھرمل استحکام، مضبوط اوور چارج مزاحمت، اور اچھے ماحولیاتی فوائد کی وجہ سے بڑے پیمانے پر توجہ مبذول کرائی ہے۔ تاہم، اس مواد میں سائیکلنگ اور سٹوریج کی کارکردگی میں خامیاں ہیں، خاص طور پر اعلی درجہ حرارت پر، جہاں اس کی سائیکلنگ کی کارکردگی نمایاں طور پر بگڑ جاتی ہے، جس سے ناقابل واپسی صلاحیت کا نقصان ہوتا ہے۔
لیتھیم-بنیاد مینگنیج-کی بنیاد پر
لتیم مینگنیز آکسائیڈ کے علاوہ، تہہ دار لتیم-رچ مینگنیج-پر مبنی مواد نے لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے ابھرتے ہوئے کیتھوڈ مواد کے طور پر بڑے پیمانے پر توجہ مبذول کرائی ہے۔
لیتھیم-رچ مینگنیز-کیتھوڈ پر مبنی مواد کی تیاری کے طریقوں میں ٹھوس-ریاست کے طریقے، سول-جیل کے طریقے، اور کو-برسانے کے طریقے شامل ہیں۔ ٹھوس-ریاست کے طریقہ کار میں دھاتی آکسائیڈز اور دھاتی کاربونیٹ یا دھاتی ہائیڈرو آکسائیڈز کو ایک خاص تناسب میں براہ راست ملانا شامل ہے، جس کے بعد پرتوں والے لتیم-سے بھرپور مواد حاصل کرنے کے لیے اعلی-درجہ حرارت ٹھوس-ریاست کا ردِ عمل ہوتا ہے۔ ٹھوس-ریاست کے طریقہ کار کے فوائد یہ ہیں کہ اس کی بڑی مقدار میں پرتوں والے لتیم- سے بھرپور مواد کی ترکیب کرنے کی صلاحیت، اس کی تیاری کا نسبتاً آسان طریقہ، اور اس کی کم قیمت ہے۔ نقصانات ٹھوس-اسٹیٹ سنٹرنگ کے دوران ٹھوس کا ناقص ڈفیوژن گتانک ہیں، اور یہ حقیقت کہ مختلف منتقلی دھاتوں کی ٹھوس حالت کے رد عمل میں مختلف بازی کی شرح ہوتی ہے، جس سے ذرات کا کافی حد تک پھیلنا مشکل ہوتا ہے۔ لہذا، ترکیب شدہ مواد کی یکسانیت ناقص ہے، جو کیتھوڈ مواد کی کارکردگی کو متاثر کرتی ہے۔ سول-جیل کے طریقہ کار میں سب سے پہلے ایک انٹیگریٹر میں ایک ٹرانزیشن میٹل سالٹ کا محلول شامل کرنا، پھر اسے جیل بنانے کے لیے پانی کو بخارات بنانا، اور آخر میں پرتوں والے لیتھیم سے بھرپور مواد حاصل کرنے کے لیے اسے خشک اور کیلسین کرنا شامل ہے۔ یہ طریقہ یکساں تقسیم اور اعلی پاکیزگی کے ساتھ مواد حاصل کرتا ہے، اور تیار کردہ الیکٹروڈز اچھی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کی نمائش کرتے ہیں۔ تاہم، اس کی خرابیوں میں ایک لمبا فیبریکیشن سائیکل، متعدد انٹیگریٹرز (نامیاتی تیزاب یا ایتھیلین گلائکول) کی ضرورت، جس کے نتیجے میں زیادہ لاگت آتی ہے۔ مزید برآں، پرت دار لیتھیم- سے بھرپور مواد زیادہ تر باریک نینو/مائکرون ذرات ہوتے ہیں جن کی اصل کثافت کم ہوتی ہے۔ لہٰذا، یہ طریقہ فی الحال بنیادی طور پر پرتوں والے لیتھیم- سے بھرپور مواد تیار کرنے کے لیے لیبارٹری کی ترتیبات میں استعمال ہوتا ہے اور اسے تجارتی بنانا مشکل ہے۔
اعلی-نکل کیتھوڈ مواد
محققین نے طویل عرصے سے اعلی-درجہ حرارت کے استحکام اور کیتھوڈ تیار کرنے کے بنیادی اہداف کے طور پر بہترین شرح کارکردگی کی تلاش کی ہے۔
لیتھیم-آئن بیٹریوں کے لیے مواد۔ تین بڑے مواد میں سے - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM)، اور LiFePO₄ - NCM کو نسبتاً زیادہ مخصوص صلاحیت، نسبتاً کم خام مال اور LiCo₂ بہتر ماحول دوست قیمتوں، نسبتاً کم حفاظتی لاگت اور بہتر ماحول کی وجہ سے سب سے زیادہ امید افزا کیتھوڈ مواد میں سے ایک سمجھا جاتا ہے۔ روایتی مواد پر لاگت کے فوائد۔
اس قسم کے مواد کا ایک ہی -NaFeO₂-قسم پرت دار کرسٹل ڈھانچہ ہے اور اس کا تعلق R-3m خلائی گروپ سے ہے۔ یہ تصور سب سے پہلے لیو ایٹ ال نے تجویز کیا تھا۔ 1999 میں۔ یہ چالاکی سے تین کیتھوڈ مواد - لتیم کوبالٹ آکسائیڈ (LiCoO₂)، لتیم نکل آکسائیڈ (LiNiO₂)، اور لتیم مینگنیز آکسائیڈ (LiMnO₂) کے فوائد کو یکجا کرتا ہے - اور مؤثر طریقے سے F56 میں دکھائے گئے مواد کی تلافی کرتا ہے۔ منتقلی دھاتی عناصر کے تناسب کو ایڈجسٹ کرنے سے، مخصوص صلاحیت، سائیکل کی کارکردگی، حفاظت اور لاگت کے درمیان بہترین توازن کو مزید حاصل کیا جا سکتا ہے۔
لیتھیم نکل کوبالٹ مینگنیج آکسائیڈ (NCM) ٹرنری کیتھوڈ میٹریل کا کرسٹل ڈھانچہ بنیادی طور پر LiCoO2 جیسا ہی ہے، دونوں ہیکساگونل پرتوں والے ڈھانچے سے تعلق رکھتے ہیں۔
