लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड

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लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (संक्षेप में NMC, Li-NMC, LNMC, या NCM) सामान्य सूत्र LiNixMnyCo1-x-yO2 के साथ लिथियम, निकल, मैंगनीज और कोबाल्ट के मिश्रित धातु ऑक्साइड हैं। इन सामग्रियों का उपयोग आमतौर पर मोबाइल उपकरणों और विद्युतीय वाहनों के लिए लिथियम आयन बैटरी में किया जाता है, जो धनात्मक आवेश कैथोड के रूप में कार्य करते हैं।

लिथियम-आयन बैटरी का एक सामान्य आरेख। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम आयन कैथोड या एनोड में आपस में जुड़ जाते हैं।

पदार्थ की उच्च ऊर्जा घनत्व और संचालित वोल्टेज की कारण से विद्युत् वाहन अनुप्रयोगों के लिए एनएमसी को अनुकूलित करने में विशेष रुचि है। कोबाल्ट खनन और धातु की उच्च लागत के साथ नैतिक विषय के कारण एनएमसी में कोबाल्ट पदार्थ को कम करना भी एक मौजूदा लक्ष्य है।[1] इसके अलावा, बढ़ी हुई निकेल पदार्थ स्थिर संचालन विंडो के अंतर्गत अधिक क्षमता प्रदान करती है।[2]

संरचना

अंत सदस्यों LiCoO के बीच एक ठोस समाधान चरण आरेख में अंक2, लेमनोस2, और लीनीओ2 Stoichiometry एनएमसी कैथोड का प्रतिनिधित्व करते हैं।[3] एनएमसी संक्षेप के तुरंत बाद तीन संख्याएं तीन परिभाषित धातुओं के सापेक्ष स्टोइकोमेट्री दर्शाती हैं। उदाहरण के लिए, 33% निकल, 33% मैंगनीज, और 33% कोबाल्ट की एक NMC दाढ़ रचना NMC111 (NMC333 या NCM333 भी) के लिए संक्षिप्त होगी और इसमें LiNi का रासायनिक सूत्र होगा। 0.33एम.एन.0.33सह 0.33O2. 50% निकल, 30% मैंगनीज, और 20% कोबाल्ट की संरचना को NMC532 (या NCM523) कहा जाएगा और इसका सूत्र LiNi होगा0.5एम.एन.0.3सह0.2O2. अन्य सामान्य रचनाएँ NMC622 और NMC811 हैं।[4] कुल संक्रमण धातु सामग्री के साथ सामान्य लिथियम सामग्री आमतौर पर लगभग 1: 1 रहती है, वाणिज्यिक एनएमसी नमूनों में आमतौर पर 5% से कम अतिरिक्त लिथियम होता है।[5][6] NMC111 के लिए, आवेश वितरण के लिए आदर्श ऑक्सीकरण अवस्था Mn है4+, कं3+, और नि2+. कोबाल्ट और निकल रिडॉक्स आंशिक रूप से Co4+ और नि4+ चार्जिंग के दौरान, जबकि Mn4+ निष्क्रिय रहता है और संरचनात्मक स्थिरता बनाए रखता है।[7] संक्रमण धातु स्टोइकोमेट्री को संशोधित करने से सामग्री के गुणों में परिवर्तन होता है, कैथोड प्रदर्शन को समायोजित करने का एक तरीका प्रदान करता है।[8] सबसे विशेष रूप से, NMC में निकेल की मात्रा बढ़ाने से इसकी शुरुआती इलेक्ट्रिक बैटरी # प्रदर्शन, क्षमता और डिस्चार्ज बढ़ जाती है, लेकिन इसकी थर्मल स्थिरता और क्षमता प्रतिधारण कम हो जाती है। कोबाल्ट सामग्री में वृद्धि महंगे होने के साथ-साथ उच्च-ऊर्जा निकल या रासायनिक रूप से स्थिर मैंगनीज को बदलने की लागत पर आती है। ऑक्सीजन पूरी तरह से डिस्चार्ज होने पर 300 डिग्री सेल्सियस पर धातु ऑक्साइड से उत्पन्न हो सकता है, जिससे ब्राविस जाली का क्षरण होता है। उच्च निकेल सामग्री ऑक्सीजन उत्पादन तापमान को कम करती है जबकि बैटरी संचालन के दौरान ऊष्मा उत्पादन को भी बढ़ाती है।[8]कटियन मिश्रण, एक प्रक्रिया जिसमें ली+ स्थानापन्न नी2+ जाली में आयन, जैसे-जैसे निकल की सांद्रता बढ़ती है, बढ़ता जाता है।[9] नी के समान आकार2+ (0.69 ए) और ली+ (0.76 Å) धनायन मिश्रण की सुविधा प्रदान करता है। स्तरित संरचना से निकेल को विस्थापित करने से ठोस विशेषताओं में सामग्री की बॉन्डिंग बदल सकती है, अवांछनीय चरण बन सकते हैं और इसकी क्षमता कम हो सकती है।[10][11]

एक स्तरित संरचना का उदाहरण। लिथियम आयन परतों के बीच अंदर और बाहर जा सकते हैं।

एनएमसी सामग्रियों में अलग-अलग धातु ऑक्साइड यौगिकों लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (लीसीओओ2) और लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn2O4).[8]डिस्चार्ज होने पर परतों के बीच लिथियम आयन इंटरकलेशन (रसायन विज्ञान), जाली विमानों के बीच बैटरी चार्ज होने तक शेष रहता है, जिस बिंदु पर लिथियम डी-इंटरकेलेट होता है और एनोड में चला जाता है।[4]


संश्लेषण

क्रिस्टलीयता, कण-आकार वितरण, आकृति विज्ञान और संरचना सभी NMC सामग्री के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं, और इन मापदंडों को विभिन्न रासायनिक संश्लेषण विधियों का उपयोग करके ट्यून किया जा सकता है।[4][12] निकेल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड की पहली रिपोर्ट में सहअवक्षेपण विधि का उपयोग किया गया था,[13] जो आज भी आमतौर पर इस्तेमाल किया जाता है।[14] इस विधि में वांछित मात्रा में धातु के अग्रदूतों को एक साथ भंग करना और फिर विलायक को हटाने के लिए उन्हें सुखाना शामिल है। इस सामग्री को तब लिथियम स्रोत के साथ मिश्रित किया जाता है और पकाना नामक प्रक्रिया में ऑक्सीजन के तहत 900 डिग्री सेल्सियस तक तापमान तक गरम किया जाता है। हाइड्रॉक्साइड्स, ऑक्सालिक एसिड और कार्बोनेट्स सबसे आम सहअवक्षेपण एजेंट हैं।[14]

सोल-जेल प्रक्रिया | सोल-जेल विधियां एक अन्य सामान्य एनएमसी संश्लेषण विधि हैं। इस पद्धति में, संक्रमण धातु अग्रदूतों को नाइट्रेट या एसीटेट समाधान में भंग कर दिया जाता है, फिर लिथियम नाइट्रेट या लिथियम एसीटेट और साइट्रिक एसिड समाधान के साथ मिलाया जाता है। बेस (रसायन विज्ञान) स्थितियों के अंतर्गत इस मिश्रण को लगभग 80°C तक हिलाया और गर्म किया जाता है जब तक कि चिपचिपा जेल नहीं बन जाता। एनएमसी सामग्री प्राप्त करने के लिए जेल को लगभग 120 डिग्री सेल्सियस पर सुखाया जाता है और दो बार कैल्सीन किया जाता है, एक बार 450 डिग्री सेल्सियस पर और फिर 800-900 डिग्री सेल्सियस पर।[15] जलतापीय उपचार को या तो सहअवक्षेपण या सोल-जेल मार्गों के साथ जोड़ा जा सकता है। इसमें आटोक्लेव में कोप्रेसिपिटेट या जेल अग्रदूतों को गर्म करना शामिल है। उपचारित अग्रदूतों को तब फ़िल्टर किया जाता है और सामान्य रूप से कैलक्लाइंड किया जाता है। कैल्सीनेशन से पहले हाइड्रोथर्मल उपचार एनएमसी की क्रिस्टलिनिटी में सुधार करता है, जो इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में सामग्री के प्रदर्शन को बढ़ाता है। हालांकि, यह लंबे समय तक सामग्री प्रसंस्करण समय की कीमत पर आता है।[15]


इतिहास

एनएमसी कैथोड सामग्री ऐतिहासिक रूप से जॉन बी गुडएनफ के 1980 के दशक में लीकोओ पर किए गए कार्य से ली गई है।2,[16] सुतोमो ओहज़ुकु की आरके ध्वनि (2एम) ओह2,[17] और NaFeO पर संबंधित अध्ययन2-प्रकार की सामग्री। झाओलिन लियू, ऐशुई यू, और जिम वाई ली ने लिथियम आयन बैटरी के लिए पहले निकल मैंगनीज कोबाल्ट कैथोड को संश्लेषित किया।[13]

2001 में, क्रिस्टोफर जॉनसन, माइकल ठाकरे, खलील अमीन और जेकूक किम ने ली पर आधारित लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी) लिथियम समृद्ध कैथोड के लिए पेटेंट दायर किया।2एमएनओ3 व्युत्पन्न डोमेन संरचना।[18][19] उसी वर्ष, झोंगहुआ लू और जेफ डान ने अंत-सदस्यों के बीच ठोस समाधान अवधारणा के आधार पर सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के एनएमसी वर्ग के लिए एक पेटेंट दायर किया।[20]


गुण

एनएमसी कैथोड के साथ लिथियम आयन बैटरी का सेल वोल्टेज 3.6-3.7 वी है।[21] अरुमुगम मंत्र ने बताया है कि ऑक्सीजन 2p बैंड के लिए धातुओं की परमाणु कक्षीय इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना की सापेक्ष स्थिति एनएमसी कैथोड सामग्री के भीतर प्रत्येक धातु की भूमिका की ओर ले जाती है। मैंगनीज 3 डी बैंड ऑक्सीजन 2 पी बैंड से ऊपर है, जिसके परिणामस्वरूप मैंगनीज की उच्च रासायनिक स्थिरता होती है। कोबाल्ट और निकल 3डी बैंड ऑक्सीजन 2p बैंड को ओवरलैप करते हैं, जिससे उन्हें ऑक्सीजन आयनों के इलेक्ट्रॉन घनत्व को खोए बिना अपने 4+ ऑक्सीकरण राज्यों में चार्ज करने की अनुमति मिलती है।[22]


उपयोग

ऑडी ई-ट्रॉन स्पोर्टबैक, एक कार जो ऊर्जा स्रोत के रूप में एनएमसी-आधारित बैटरी का उपयोग करती है।

कई इलेक्ट्रिक कार NMC कैथोड बैटरी का उपयोग करती हैं। एनएमसी बैटरी 2011 में बीएमडब्ल्यू एक्टिव ई ई में और 2013 से बीएमडब्ल्यू i8 8 में स्थापित की गई थी।[23] एनएमसी बैटरी वाली अन्य इलेक्ट्रिक कारों में 2020 तक शामिल हैं: ऑडी ई-ट्रॉन (2018) | ऑडी ई-ट्रॉन जीई, बीएआईसी ईयू5 आर550, बीएमडब्ल्यू विज्ञापन, बीवाईडी युआन, शेवरले बोल्ट, हुंडई कोना इलेक्ट्रिक, जगुआर आई-पेस, जियांगलिंग मोटर्स JMC E200L, NIO ES6, निसान लीफ S Plus, Renault ZOE, Roewe Ei5, VW e-Golf और VW ID.3।[24] केवल कुछ इलेक्ट्रिक कार निर्माता अपनी ट्रैक्शन बैटरियों में NMC कैथोड का उपयोग नहीं करते हैं। टेस्ला, इंक एक महत्वपूर्ण अपवाद है, क्योंकि वे अपने वाहनों के लिए लिथियम निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड और लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी का उपयोग करते हैं। 2015 में, एलोन मस्क ने बताया कि इकाइयों के जीवन में चार्ज / डिस्चार्ज चक्रों की संख्या बढ़ाने के लिए होम स्टोरेज टेस्ला पावरवॉल एनएमसी पर आधारित है।[24]

मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे मोबाइल फोन/स्मार्टफोन, लैपटॉप और Pedelec भी एनएमसी-आधारित बैटरी का उपयोग कर सकते हैं।[25] इन अनुप्रयोगों में लगभग विशेष रूप से पहले लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरी का उपयोग किया जाता था।[26] एनएमसी बैटरी का एक अन्य अनुप्रयोग बैटरी भंडारण पावर स्टेशन है। 2016 में कोरिया में ऐसी दो स्टोरेज प्रणालियाँ स्थापित की गईं, जिनमें एक संयुक्त इलेक्ट्रिक बैटरी # प्रदर्शन, क्षमता और 15 MWh का डिस्चार्ज है।[27] 2017 में, 11 MWh की क्षमता वाली 35 MW NMC बैटरी को ऑस्ट्रेलियाई राज्य पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया के न्यूमैन में स्थापित और चालू किया गया था।[28][29]


यह भी देखें

  • लिथियम आयन बैटरी
  • लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड
  • लिथियम आयरन फॉस्फेट

संदर्भ

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