लिथियम-आयन बैटरी के लिए नैनोआर्किटेक्चर

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लिथियम आयन बैटरी के लिए नैनोआर्किटेक्चर, लिथियम-आयन बैटरी के डिज़ाइन को उचित बनाने के लिए नैनो तकनीक को नियोजित करने का प्रयास होता है। लिथियम-आयन बैटरी में अनुसंधान ऊर्जा घनत्व, विद्युत घनत्व, सुरक्षा, स्थायित्व और लागत में सुधार पर केंद्रित होता है।

अनुसंधान क्षेत्र

ऊर्जा घनत्व

बढ़ी हुई ऊर्जा घनत्व में इलेक्ट्रोड से अधिक आयन डालने/निकालने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोड क्षमता की तुलना तीन अलग-अलग विधियों के माध्यम से की जाती है: द्रव्यमान की प्रति इकाई क्षमता (विशिष्ट ऊर्जा या गुरुत्वाकर्षण क्षमता के रूप में जाना जाता है), क्षमता प्रति इकाई मात्रा (वॉल्यूमेट्रिक क्षमता), और क्षेत्र-सामान्यीकृत विशिष्ट क्षमता (क्षेत्रीय क्षमता) इसके उदाहारण है।

विद्युत घनत्व

अलग-अलग प्रयास विद्युत घनत्व ( / विपरीत आवेश की दर) में सुधार पर ध्यान केंद्रित करते हैं। शक्ति घनत्व द्रव्यमान और आवेश परिवहन, इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक विद्युत चालकता और इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण कैनेटीक्स पर आधारित होते है; कम दूरी और अधिक सतह क्षेत्र के माध्यम से आसान परिवहन दरों में सुधार होता है।[1]

एनोड

लिथियम की अस्वीकार्य वॉल्यूमेट्रिक अंतर्संबंध विस्तार के बिना आपस में जुड़ने की क्षमता के कारण पारंपरिक रूप से कार्बन एनोड का उपयोग किया जाता हैं। जो उत्तरार्द्ध बैटरी को हानि पहुंचाता है और आवेशित करने के लिए उपलब्ध लिथियम की मात्रा को भी कम करता है। इस प्रकार अंतर्संबंध क्षमता को सीमित करता है। LiC6 के लिए कार्बन आधारित एनोड्स की गुरुत्वाकर्षण क्षमता 372 mAh/g होती है।.[2] सिलिकॉन की विशिष्ट क्षमता कार्बन की तुलना में लगभग दस गुना अधिक होती है। Si की परमाणु त्रिज्या 1.46 एंगस्ट्रॉम होती है, जबकि Li की परमाणु त्रिज्या 2.05 एंग्स्ट्रॉम होती है। Li3.75S का गठन महत्वपूर्ण वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का कारण बनता है, जो उत्तरोत्तर एनोड को नष्ट कर देता है।[3] एनोड आर्किटेक्चर को नैनोस्केल में कम करने से लाभ प्राप्त होता है, जिसमें उत्कृष्ट चक्र जीवन और कम विभाजन प्रसार और विफलता सम्मलित होती है। एक प्रवाहकीय बाइंडर फिल्म के भीतर नैनोस्केल कण महत्वपूर्ण त्रुटि आकार से नीचे उपस्थित होते हैं।[2][4] परिवहन लंबाई (एनोड और कैथोड के बीच की दूरी) को कम करने से ओमिक हानि (प्रतिरोध) कम हो जाती है।

नैनोस्ट्रक्चरिंग सतह क्षेत्र को आयतन अनुपात में बढ़ाता है, जो विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय क्षेत्र में वृद्धि और परिवहन लंबाई में कमी के कारण ऊर्जा और शक्ति घनत्व दोनों में सुधार करता है। चूकिं, वृद्धि से इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच पार्श्व प्रतिक्रियाएं भी बढ़ जाती हैं, जिससे उच्च स्व-निर्वहन, कम /विपरीत आवेश चक्र और कम कैलेंडर जीवन होता है। हाल के कुछ कार्य उन सामग्रियों को विकसित करने पर केंद्रित होते हैं जो उस सीमा के भीतर विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय होते हैं जहां इलेक्ट्रोलाइट अपघटन या इलेक्ट्रोलाइट/इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं नहीं होती हैं।[1]

गैर-पारंपरिक आर्किटेक्चर

एक शोध अवधारणा प्रस्तावित की गई है, जिसमें लिथियम-आयन बैटरी के प्रमुख भाग, अर्थात एनोड, इलेक्ट्रोलाइट और कैथोड को एक कार्यात्मक अणु में संयोजित किया जाता हैं। ऐसे कार्यात्मक अणुओं की एक परत को दो धारा संग्राहकों के बीच में लैंगमुइर-ब्लॉडगेट विधि के उपयोग से संरेखित किया जाता है। [5] यघपि व्यवहार्यता की अभी तक पुष्टि नहीं हुई है।

नैनोस्ट्रक्चर्ड आर्किटेक्चर

सामान्यतः बैटरी डिज़ाइन द्वि-आयामी होते हैं और स्तरित निर्माण पर निर्भर होते हैं।[6] हाल के शोध ने इलेक्ट्रोड को तीन आयामों में वर्णित किया जाता है। यह बैटरी क्षमता में महत्वपूर्ण सुधार की अनुमति देता है; इस प्रकार 2डी मोटी फिल्म इलेक्ट्रोड और 3डी व्यूह इलेक्ट्रोड के बीच क्षेत्र क्षमता में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।[7]

त्रि-आयामी पतली-फिल्में

ठोस अवस्था वाली बैटरियां पारंपरिक रूप से पतली-फिल्म बैटरियों के समान ज्यामिति का उपयोग करती हैं। त्रि-आयामी पतली-फिल्में विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय क्षेत्र को बढ़ाने के लिए तीसरे आयाम का उपयोग करती हैं। पतली फिल्म दो आयामी बैटरी 2-5 माइक्रोमीटर के बीच प्रतिबंधित होती हैं, जो कि तीन आयामी ज्यामिति की तुलना में अधिक कम क्षेत्र क्षमता को सीमित करती हैं।

एक छिद्रित सब्सट्रेट का उपयोग करके आयाम बढ़ाया जाता है। छिद्र बनाने का एक तरीका सिलिकॉन पर प्रेरक युग्मित प्लाज्मा निक्षारण के माध्यम से होता है।[8]

एक अन्य ने गहरे छिद्रों को बनाने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल या प्रतिक्रियाशील आयन निक्षारण के माध्यम से एक सिलिकॉन सब्सट्रेट के अत्यधिक एनिस्ट्रोपिक निक्षारण का उपयोग किया था। एक बैटरी के लिए आवश्यक परतें, एक एनोड, विभाजक और कैथोड, फिर कम दबाव वाले रासायनिक वाष्प याके संयोजन द्वारा जोड़ा जाता है। बैटरी में एक पतली सक्रिय सिलिकॉन परत होती है जो एक ठोस अवस्था इलेक्ट्रोलाइट द्वारा पतली कैथोडिक परत से अलग होती है। विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय क्षेत्र में 50 nm नैनोकण होते हैं, जो विभाजन प्रसार के लिए विशेष रूप से आकार में छोटे होते हैं।[9]

अंतर्विभाजित इलेक्ट्रोड

एक अन्य वास्तुकला एनोडिक और कैथोडिक ध्रुवों का एक आवधिक समूहन होता है। इस डिजाइन के लिए इलेक्ट्रोड पृथक्करण को कम करके शक्ति और ऊर्जा घनत्व को अधिकतम किया जाता है। एक जन्मजात गैर-समान धारा घनत्व होता है और सेल की क्षमता को कम करता है, स्थिरता को कम करता है और सेल के भीतर गैर-समान ताप पैदा करता है। दो आयामी बैटरी के सापेक्ष लंबाई (L) जिस पर परिवहन होना चाहिए, दो-तिहाई से कम हो जाता है, जो कैनेटीक्स में सुधार करता है और ओमिक हानि को कम करता है। Lके अनुकूलन से क्षेत्रीय क्षमता में महत्वपूर्ण सुधार हो सकता है; 500 माइक्रोमीटर के आकार के स्तर पर एक Lके परिणामस्वरूप तुलनीय दो आयामी बैटरी की तुलना में क्षमता में 350% की वृद्धि होती है। चूकिं, L के साथ ओमिक हानि बढ़ता है, अंततः L को बढ़ाने के माध्यम से प्राप्त वृद्धि को समायोजित करता है।

इस ज्यामिति के लिए, चार मुख्य डिजाइन प्रस्तावित किए गए थे: एनोड्स और कैथोड्स की पंक्तियां, वैकल्पिक एनोड्स और कैथोड्स, षट्कोणीय रूप से पैक किये गये 1:2 एनोड्स: कैथोड्स, और वैकल्पिक एनोडिक और कैथोडिक त्रिकोणीय ध्रुव जहां पंक्ति में निकटतम पड़ोसियों को 180 डिग्री घुमाया जाता है।

पंक्ति डिजाइन में एक बड़ा, गैर-समान धारा वितरण होता है। वैकल्पिक विद्युत ध्रुवता के इलेक्ट्रोड की उच्च संख्या को देखते हुए वैकल्पिक डिजाइन बेहतर एकरूपता प्रदर्शित करता है। एनोड या कैथोड वाले प्रणाली के लिए जो गैर-समान धारा घनत्व के प्रति संवेदनशील होता है, कैथोड और एनोड की गैर-बराबर संख्या का उपयोग किया जा सकता है; 2:1 हेक्सागोनल डिजाइन एनोड पर एक समान धारा घनत्व की अनुमति देता है परन्तु कैथोड पर एक गैर-समान धारा वितरण की अनुमति देता है। ध्रुवों के आकार को परिवर्तित करके प्रदर्शन को बढ़ाया जा सकता है। त्रिकोणीय डिजाइन धारा एकरूपता का त्याग करके सेल की क्षमता और शक्ति में सुधार करता है।[6] एक समान प्रणाली ध्रुवों के अतिरिक्त इंटरडिजिटल प्लेट्स का उपयोग करती है।[6]

2013 में शोधकर्ताओं ने स्टैक्ड, इंटरडिजिटेड इलेक्ट्रोड बनाने के लिए योगात्मक विनिर्माण का उपयोग किया था। बैटरी रेत के दाने से बड़ी नहीं थी। इस प्रक्रिया ने एनोड और कैथोड को पहले की तुलना में एक दूसरे के समीप रखा था। एनोड के लिए स्याही(इंक) एक लिथियम धातु ऑक्साइड यौगिक के नैनोकण बनी थी, और कैथोड के लिए स्याही दूसरे के नैनोकणों से बनी थी। प्रिंटर ने स्याही को दो सोने के कंघों के दांतों पर एकत्रित किया, जिससे एनोड और कैथोड का एक इंटरलेस्ड स्टैक बन गया था।[10][11]

संकेंद्रित इलेक्ट्रोड

संकेंद्रित सिलेंडर का डिज़ाइन इंटरडिजिटल ध्रुवों के समान होता है। असतत एनोड और कैथोड ध्रुवों के अतिरिक्त, एनोड या कैथोड को ध्रुव के रूप में रखा जाता है जो इलेक्ट्रोलाइट द्वारा लेपित होता है। अन्य इलेक्ट्रोड निरंतर चरण के रूप में कार्य करता है जिसमें एनोड/कैथोड उपस्थित रहता है। इसका मुख्य लाभ यह होता है कि इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा कम हो जाती है, जिससे ऊर्जा घनत्व बढ़ जाता है। यह डिज़ाइन अंतर्विभाजित प्रणाली की तरह एक छोटी परिवहन दूरी को बनाए रखता है और इस प्रकार ओमिक हानि को कम करते हुए आवेश और बड़े स्तर पर परिवहन के समान लाभ प्राप्त करता है।[6]

विपरीत ओपल

त्रि-आयामी क्रमबद्ध मैक्रोपोरस (3डीओएम ) कार्बन एनोड बनाने के लिए संकेंद्रित सिलेंडर पैक्ड कणों या क्लोज-पैक पॉलीमर का एक संस्करण होता है। इस प्रणाली को कोलाइडल क्रिस्टल टेंपलेटिंग, इलेक्ट्रोकेमिकल पतली-फिल्म वृद्धि और नरम सोल-जेल रसायन विज्ञान का उपयोग करके निर्मित की जाती है। 3डीओएम सामग्रियों में नैनोमीटर मोटी दीवारों की एक अनूठी संरचना होती है जो परस्पर जुड़े होते है और बंद-पैक सब-माइक्रोमीटर रिक्तियों को घेरे रहते है। 3डीओएम संरचना को एक पतली बहुलक परत के साथ लेपित किया जाता है और फिर दूसरे संचालन चरण से भरा जाता है। यह विधि कम परिवहन लंबाई, उच्च आयनिक चालकता और उचित विद्युत चालकता वाली बैटरी की ओर ले जाती है। यह उन योजक की आवश्यकता को दूर करता है जो विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में योगदान नहीं करते हैं। प्रारंभिक क्षमता को बढ़ाने के लिए टिन ऑक्साइड नैनोकणों के साथ कोटिंग करके प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है।[12] कोटिंग समान मोटाई का उत्पादन करने के लिए 3डीओएम संरचना द्वारा गठित नेटवर्क में अनधिकार प्रवेश करती है।

नैनोवायर और नैनोट्यूब

नैनोवायर और कार्बन नैनोट्यूब को विभिन्न बैटरी घटकों के साथ एकीकृत किया गया है। इस रुचि का कारण कम परिवहन लंबाई, गिरावट और संचय के प्रतिरोध के कारण होता है। कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) के लिए, लिथियम-आयन को बाहरी सतह पर, नैनोट्यूब के बीच अंतरालीय स्थलों में और ट्यूब के आंतरिक भाग में संग्रहित किया जा सकता है।[13]

एक अंतर्निहित प्रवाहकीय आवेश संग्राहक प्रदान करने और क्षमता बढ़ाने के लिए नैनोवायरों को एनोड/कैथोड मैट्रिक्स में सम्मलित किया जाता है। नैनोवायरों को समाधान-आधारित विधि के माध्यम से सम्मलित किया गया था जो सक्रिय सामग्री को सब्सट्रेट पर मुद्रित करने की अनुमति देता है।[14] एक अन्य विधि सीएनटी-सेलूलोज़ सम्मिश्र का उपयोग करती है। सीएनटी को थर्मल-सीवीडी द्वारा एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उगाया जाता है और फिर सेलूलोज़ में एम्बेड किया जाता है। अंत में सीएनटी से सेल्यूलोज के ऊपर एक लिथियम इलेक्ट्रोड जोड़ा जाता है।[15]

2007 में सी नैनोवायर बैटरी को वाष्प-तरल ठोस विकास विधि द्वारा स्टील सब्सट्रेट पर बनाया गया था। इन नैनोवायरों ने सिलिकॉन के लिए सैद्धांतिक मूल्य के निकट प्रदर्शित किया और पहले से दूसरे चक्रों के बीच 20% की कमी के बाद केवल न्यूनतम लुप्त होती दिखाई दी। इस प्रदर्शन को सहज तनाव छूट के लिए उत्तरदायी ठहराया जाता है जो नैनोवायर के साथ धारा वर्तमान संग्राहक और कुशल 1डी इलेक्ट्रॉन परिवहन के साथ अच्छा संपर्क बनाए रखते हुए बड़े उपभेदों को समायोजित करने की अनुमति देता है।[16]

एपेरियोडिक इलेक्ट्रोड

आवधिक संरचनाएं गैर-समान धारा घनत्व की ओर ले जाती हैं जो कम दक्षता और स्थिरता को कम करती हैं। एपेरियोडिक(अनावधिक) संरचना सामान्यतः या तो एरोजेल्स या कुछ अधिक सघन एंबिगल्स से बनी होती है[17] जो एक छिद्रपूर्ण एपेरियोडिक स्पंज बनाता है। एरोजेल और एंबिगेल गीले जैल से बनते हैं; एरोजेल तब बनते हैं जब गीले जैल को ऐसे सुखाया जाता है कि कोई केशिका बल स्थापित नहीं होता है, जबकि एंबिगेल गीले जैल होते हैं जो केशिका बलों को कम करने वाली परिस्थितियों में सुखाए जाते हैं।[18] एरोजेल और एंबीगल इस मायने में अद्वितीय हैं कि 75-99% सामग्री 'खुली' होती है, परन्तु यह 10 एनएम के क्रम पर एक ठोस द्वारा अंतःप्रवेशित होती है, जिसके परिणामस्वरूप 10 से 100 एनएम के क्रम में छिद्र होते हैं। ठोस सहसंयोजक नेटवर्क और समूह और सिंटरिंग के लिए प्रतिरोधी होता है। एपेरियोडिसिटी से परे, इन संरचनाओं का उपयोग किया जाता है क्योंकि छिद्रपूर्ण संरचना पूरे सामग्री में शीघ्र से प्रसार की अनुमति देती है, और छिद्रपूर्ण संरचना एक बड़ी प्रतिक्रिया सतह प्रदान करती है। अंबिजेल पर पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट की परत चढ़ाकर और फिर रिक्त स्थान को RuO2 कोलाइड्स से भरकर निर्माण किया जाता है जो एनोड के रूप में कार्य करते हैं।[19]

अनुरूप कोटिंग्स

अधिकांश डिज़ाइन अर्ध-सेल प्रयोग थे; जो मात्र एनोड या कैथोड का परीक्षण करते थे। जैसे-जैसे ज्यामितीय अधिक जटिल हो जाती हैं, इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के साथ डिजाइन को भरने के लिए गैर-लाइन-ऑफ-दृष्टि विधियां विपरीत आवेश वाले इलेक्ट्रोड की आपूर्ति करना आवश्यक हो जाता हैं। इन बैटरियों को उनके प्रदर्शन और स्थिरता में सुधार के लिए विभिन्न सामग्रियों के साथ लेपित किया जा सकता है। चूकिं, रासायनिक और भौतिक विषमता आणविक-स्तर के नियंत्रण को एक महत्वपूर्ण कठिन कार्य बना देता है, विशेषकर रूप से जब ऊर्जा संचय के लिए इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री दोष-सहिष्णु नहीं होते है।[19]

परत-दर-परत (एलबीएल)

परत दर परत दृष्टिकोण का उपयोग 3डी नैनोआर्किटेक्चर को कोट करने के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से एक आवेशित बहुलक को विपरीत रूप से आवेशित सतह से बाँधने से सतह पर बहुलक की परत चढ़ जाती है। विपरीत रूप से आवेशित बहुलक के बार-बार चरण एक अच्छी तरह से नियंत्रित मोटी परत का निर्माण करते हैं। इस विधि का उपयोग करके प्लानर सबस्ट्रेट्स पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट फिल्मों और इलेक्ट्रोएक्टिव पॉलिमर के अल्ट्राथिन (5 एनएम से कम) निक्षेपित किए जाते हैं। चूकिं, जटिल ज्यामिति के भीतर पॉलिमर के निक्षेपण के साथ समस्याएँ उपस्थित होती हैं, उदा के लिए 50-300 एनएम के आकार के स्तर पर, जिसके परिणामस्वरूप दोषपूर्ण कोटिंग्स होती हैं। एक संभावित समाधान स्व-सीमित दृष्टिकोणों का उपयोग करता है।[19]

परमाणु परत निक्षेपण (एएलडी)

कोटिंग के लिए एक अन्य दृष्टिकोण परमाणु परत निक्षेपण होता है जो परमाणु परिशुद्धता के साथ सब्सट्रेट परत-दर-परत को कोट करता है। परिशुद्धता इसलिए होती है क्योंकि प्रतिक्रियाएं एक सक्रिय रासायनिक अंश (रसायन) युक्त सतह तक ही सीमित होती हैं जो एक अग्रदूत के साथ प्रतिक्रिया करती हैं; यह मोटाई को एक मोनोलेयर तक सीमित करता है। पूर्ण कोटिंग्स के लिए यह स्व-सीमित वृद्धि आवश्यक है क्योंकि निक्षेपण अन्य बहुलक इकाइयों द्वारा गैर-लेपित साइटों तक पहुंच को बाधित नहीं करता है। एलबी में विपरीत रूप से आवेशित पॉलिमर के साथ बारी-बारी से समान तरीके से साइकलिंग गैसों द्वारा मोटे प्रारूप का उत्पादन किया जा सकता है। व्यवहार में एएलडी को वांछित कवरेज प्राप्त करने के लिए कुछ चक्रों की आवश्यकता हो सकती है और इसके परिणामस्वरूप विभिन्न आकारिकी जैसे द्वीप, पृथक क्रिस्टलीय या नैनोकण हो सकते हैं। आकृति विज्ञान विद्युत रासायनिक व्यवहार को बदल सकता है और इसलिए इसे सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए।[19]

लिथियम और ऑक्सीजन के बीच प्रतिक्रियाशीलता बढ़ाने के लिए 3डीओएम कार्बन पर आयरन ऑक्साइड निक्षेप करने के लिए भी एएलडी का उपयोग किया गया था। फिर लोहे को तब पैलेडियम नैनोकणों के साथ लेपित किया गया था, जिसने ऑक्सीजन के साथ कार्बन की विनाशकारी प्रतिक्रिया को प्रभावी रूप से कम किया जाता है और निर्वहन चक्र में सुधार किया जाताहै। वांग ने कहा कि निष्कर्ष से पता चलता है कि 3डीओएम कार्बन स्थिर होने पर नए प्रदर्शन मानकों को पूरा कर सकता है।[20]

इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन

इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन एक पतली बहुलक फिल्म, 10 से 100 एनएम की आपूर्ति करता है। इंसुलेटिंग पॉलीमर के इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन के परिणामस्वरूप स्व-सीमित निक्षेपण होता है क्योंकि इसका सक्रिय भाग संरक्षित होता है; यदि बहुलक घुलनशील मोनोमर को अवरुद्ध कर सकता है और निरंतर विकास को रोक सकता है, तो निक्षेपण स्वयं-सीमित भी हो सकता है। विद्युत रासायनिक चर के नियंत्रण के माध्यम से, पॉलीएनिलिन और पॉलीथियोफीन को नियंत्रित तरीके से निक्षेप किया जा सकता है। स्टाइरीन, मिथाइल मेथाक्रायलेट, फिनोल और अन्य विद्युत इन्सुलेट पॉलिमर एक विभाजक के रूप में कार्य करने के लिए इलेक्ट्रोड पर निक्षेप किए गए हैं जो आयनिक परिवहन की अनुमति देता है, परन्तु शॉर्ट्स को रोकने के लिए विद्युत परिवहन को रोकता है। मेसोपोरस मैंगनीज डाइऑक्साइड एंबिगेल्स को बहुलक की 7-9 एनएम फिल्मों द्वारा संरक्षित किया गया है, जिससे जलीय एसिड में मैंगनीज डाइऑक्साइड के विघटन से बचा जा सके। समान कोटिंग्स को मोनोमर समाधान द्वारा आर्किटेक्चर को आर्द्र करने की आवश्यकता होती है; यह एक समाधान के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है जो छिद्रपूर्ण ठोस के समान सतह ऊर्जा प्रदर्शित करता है। जैसे-जैसे पैमाने में कमी आती जाती है और ठोस के माध्यम से परिवहन अधिक कठिन होता जाता है, इस प्रकार कोटिंग की एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए पूर्व-संतुलन की आवश्यकता होती है।[18]

संदर्भ

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