سردیوں میں لیتھیم بیٹری کی صلاحیت کیوں کم ہو جاتی ہے، آخر کوئی بتائے!
جب سے لیتھیم-آئن بیٹریاں مارکیٹ میں آئی ہیں، ان کی طویل زندگی، بڑی مخصوص صلاحیت، اور کوئی میموری اثر نہیں ہونے کے فوائد کی وجہ سے ان کا وسیع پیمانے پر استعمال کیا گیا ہے۔ لیتھیم-آئن بیٹریوں کے کم درجہ حرارت کے استعمال میں مسائل ہیں جیسے کہ کم صلاحیت، سنجیدہ توجہ، خراب سائیکل ریٹ کی کارکردگی، واضح لیتھیم کا ذخیرہ، اور غیر متوازن لتیم نکالنا۔ تاہم، ایپلیکیشن فیلڈز کی مسلسل توسیع کے ساتھ، لتیم آئن بیٹریوں کی کمزور-درجہ حرارت کی کارکردگی-کی وجہ سے پیدا ہونے والی رکاوٹیں زیادہ واضح ہوتی جا رہی ہیں۔
رپورٹس کے مطابق، -20 ڈگری پر لیتھیم-آئن بیٹریوں کی خارج ہونے کی صلاحیت کمرے کے درجہ حرارت پر اس کا صرف 31.5 فیصد ہے۔ روایتی لیتھیم-آئن بیٹریوں کا آپریٹنگ درجہ حرارت -20 اور جمع 55 ڈگری کے درمیان ہے۔ تاہم، ایرو اسپیس، فوجی صنعت، الیکٹرک گاڑیاں وغیرہ کے شعبوں میں، بیٹری کو عام طور پر -40 ڈگری پر کام کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ لہذا، لی آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات کو بہتر بنانا بہت اہمیت کا حامل ہے۔
لی- بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو محدود کرنے والے عوامل
کم درجہ حرارت والے ماحول میں، الیکٹرولائٹ کی واسکاسیٹی بڑھ جاتی ہے اور یہاں تک کہ جزوی طور پر مضبوط ہو جاتی ہے، جس کے نتیجے میں لتیم-آئن بیٹریوں کی چالکتا میں کمی واقع ہوتی ہے۔ کم درجہ حرارت والے ماحول میں الیکٹرولائٹ اور منفی الیکٹروڈ اور الگ کرنے والے کے درمیان مطابقت خراب ہو جاتی ہے۔ لیتھیم-آئن بیٹری کے منفی الیکٹروڈ میں کم درجہ حرارت والے ماحول میں لتیم کی شدید بارش ہوتی ہے، اور تیز دھاتی لیتھیم الیکٹرولائٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتی ہے، اور اس کی پروڈکٹ جمع ہونے سے ٹھوس کی موٹائی میں اضافہ ہوتا ہے- الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) کم درجہ حرارت والے ماحول میں، فعال مواد میں لی- آئن بیٹریوں کا پھیلاؤ کا نظام کم ہو جاتا ہے، اور چارج ٹرانسفر ریزسٹنس (Rct) نمایاں طور پر بڑھ جاتا ہے۔
لی- بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو متاثر کرنے والے عوامل پر بحث
ماہرین کی رائے 1: الیکٹرولائٹ کا لتیم آئن بیٹریوں کی کم-درجہ حرارت کی کارکردگی پر سب سے زیادہ اثر پڑتا ہے-، اور الیکٹرولائٹ کی ساخت اور فزیکو کیمیکل خصوصیات کم پر اہم اثر ڈالتی ہیں{{3} بیٹری کے درجہ حرارت کی کارکردگی۔ کم درجہ حرارت پر بیٹری کو درپیش مسائل یہ ہیں: الیکٹرولائٹ کی viscosity بڑھ جائے گی، آئن کی ترسیل کی رفتار سست ہو جائے گی، جس کے نتیجے میں بیرونی سرکٹ کی الیکٹران کی منتقلی کی رفتار میں مماثلت نہیں ہو گی، اس لیے بیٹری شدید پولرائز ہو جائے گی، اور چارج اور خارج ہونے والے مادہ کی صلاحیت تیزی سے کم ہو جائے گی. خاص طور پر کم درجہ حرارت پر چارج کرتے وقت، لیتھیم آئن آسانی سے منفی الیکٹروڈ کی سطح پر لیتھیم ڈینڈرائٹس بنا لیتے ہیں، جس کے نتیجے میں بیٹری خراب ہو جاتی ہے۔
الیکٹرولائٹ کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کا خود الیکٹرولائٹ کی چالکتا کے سائز سے گہرا تعلق ہے۔ اعلی چالکتا کے ساتھ الیکٹرولائٹ آئنوں کو تیزی سے منتقل کرتا ہے اور کم درجہ حرارت پر زیادہ صلاحیت کا استعمال کر سکتا ہے۔ الیکٹرولائٹ میں لتیم نمک جتنا زیادہ منقطع ہوگا، نقل مکانی کی تعداد اتنی ہی زیادہ ہوگی اور چالکتا بھی اتنی ہی زیادہ ہوگی۔ برقی چالکتا جتنی زیادہ ہوگی، آئن کی ترسیل کی شرح اتنی ہی 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 کارکردگی کو حاصل کرنے کے لیے اعلی برقی چالکتا ایک ضروری شرط ہے۔
الیکٹرولائٹ کی چالکتا کا تعلق الیکٹرولائٹ کی ساخت سے ہے، اور سالوینٹ کی واسکاسیٹی کو کم کرنا الیکٹرولائٹ کی چالکتا کو بہتر بنانے کا ایک طریقہ ہے۔ کم درجہ حرارت پر سالوینٹ کی اچھی روانی آئن کی نقل و حمل کی ضمانت ہے، اور کم درجہ حرارت پر منفی الیکٹروڈ پر الیکٹرولائٹ کے ذریعہ بننے والی ٹھوس الیکٹرولائٹ فلم بھی لیتھیم آئنوں کی ترسیل کو متاثر کرنے کی کلید ہے، اور RSEI اہم رکاوٹ ہے۔ کم درجہ حرارت والے ماحول میں لتیم آئن بیٹریاں۔
ماہر 2: لیتھیم-آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو محدود کرنے والا اہم عنصر کم درجہ حرارت پر تیزی سے بڑھی ہوئی Li پلس بازی مزاحمت ہے، نہ کہ SEI فلم۔
لتیم آئن بیٹریوں کے لیے کیتھوڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات
1. پرتوں والے کیتھوڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات
تہہ دار ڈھانچے میں نہ صرف ایک-جہتی لتیم آئن ڈفیوژن چینلز کی لاجواب شرح کارکردگی ہوتی ہے، بلکہ تین جہتی چینلز کا ساختی استحکام بھی ہوتا ہے۔ یہ لتیم آئن بیٹریوں کے لیے قدیم ترین تجارتی کیتھوڈ مواد ہے۔ اس کے نمائندہ مادے ہیں LiCoO2، Li(Co1-xNix)O2 اور Li(Ni, Co, Mn)O2 وغیرہ۔
Xie Xiaohua et al. LiCoO2/MCMB کو ریسرچ آبجیکٹ کے طور پر لیا اور اس کی کم-درجہ حرارت چارج-ڈسچارج خصوصیات کا تجربہ کیا۔
The results show that with the decrease of temperature, the discharge platform drops from 3.762V (0 degree ) to 3.207V (–30 degree ); the total battery capacity also decreases sharply from 78.98mA·h (0 degree ) to 68.55mA·h (–30 degree ).
2. کم-ریڑھ کی ہڈی کے درجہ حرارت کی خصوصیات-ساخت شدہ کیتھوڈ مواد
ریڑھ کی ہڈی کی ساخت LiMn2O4 کیتھوڈ مواد میں کم قیمت اور غیر- زہریلا ہونے کے فوائد ہیں کیونکہ اس میں Co عنصر نہیں ہوتا ہے۔
تاہم، Mn اور Jahn-Mn3 پلس کے ٹیلر اثر کی valence تغیر اس جزو کی ساختی عدم استحکام اور خراب ریورسبلٹی کا باعث بنتا ہے۔
Peng Zhengshun et al. نے نشاندہی کی کہ تیاری کے مختلف طریقوں کا LiMn2O4 کیتھوڈ مواد کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی پر بڑا اثر ہے۔ Rct کو ایک مثال کے طور پر لینا: اعلی درجہ حرارت کے ٹھوس-فیز طریقہ سے ترکیب شدہ LiMn2O4 کا Rct سول-جیل طریقہ سے نمایاں طور پر زیادہ ہے، اور یہ رجحان لیتھیم آئن طریقہ میں ہے۔ بازی گتانک بھی ظاہر ہوتا ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ مختلف ترکیب کے طریقوں کا مصنوعات کی کرسٹلینٹی اور مورفولوجی پر بہت اثر ہوتا ہے۔
3. فاسفیٹ سسٹم کے کیتھوڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات
اپنے بہترین حجم کے استحکام اور حفاظت کی وجہ سے، LiFePO4، ٹرنری میٹریلز کے ساتھ، موجودہ پاور بیٹری کیتھوڈ میٹریل کا مرکزی باڈی بن گیا ہے۔ لتیم آئرن فاسفیٹ کی ناقص کم درجہ حرارت کی کارکردگی بنیادی طور پر اس حقیقت کی وجہ سے ہے کہ مواد خود ایک انسولیٹر ہے، جس میں کم الیکٹرانک چالکتا، لتیم آئن کی خرابی، اور کم درجہ حرارت پر ناقص چالکتا ہے، جو بیٹری کی اندرونی مزاحمت کو بڑھاتا ہے، جو پولرائزیشن سے بہت متاثر ہوتا ہے اور بیٹری کی چارجنگ اور ڈسچارج میں رکاوٹ بنتا ہے۔ لہذا، کم درجہ حرارت کی کارکردگی مثالی نہیں ہے.
When studying the charge{{0}}discharge behavior of LiFePO4 at low temperature, Gu Yijie et al. found that its coulombic efficiency dropped from 100 percent at 55 degree to 96 percent at 0 degree and 64 percent at -20 degree , respectively; the discharge voltage decreased from 3.11V at 55 degree . Decrease to 2.62V at –20 degree .
Xing et al. modified LiFePO4 with nano-carbon and found that after adding nano-carbon conductive agent, the electrochemical performance of LiFePO4 was less sensitive to temperature, and the low-temperature performance was improved; the discharge voltage of modified LiFePO4 increased from 3.40 at 25 degree V drops to 3.09V at –25 degree , a decrease of only 9.12 percent ; and its cell efficiency at –25 degree is 57.3 percent , which is higher than 53.4 percent without nano-carbon conductive agent.
حال ہی میں، LiMnPO4 نے کافی دلچسپی حاصل کی ہے۔ مطالعہ نے پایا کہ LiMnPO4 میں اعلی صلاحیت (4.1V)، کوئی آلودگی، کم قیمت، اور بڑی مخصوص صلاحیت (170mAh/g) کے فوائد ہیں۔ تاہم، LiFePO4 کے مقابلے LiMnPO4 کی کم آئنک چالکتا کی وجہ سے، Fe اکثر Mn کو جزوی طور پر تبدیل کرنے کے لیے LiMn0.8Fe0.2PO4 ٹھوس محلول بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
لتیم آئن بیٹریوں کے لیے انوڈ مواد کی کم درجہ حرارت کی خصوصیات
مثبت الیکٹروڈ مواد کے مقابلے میں، لیتھیم آئن بیٹری کے منفی الیکٹروڈ مواد کا کم درجہ حرارت میں بگاڑ زیادہ سنگین ہے، بنیادی طور پر درج ذیل تین وجوہات کی بناء پر:
When the battery is charged and discharged at a high rate at low temperature, the polarization of the battery is serious, and a large amount of metal lithium is deposited on the surface of the negative electrode, and the reaction product of metal lithium and the electrolyte generally does not have conductivity; From the perspective of thermodynamics, the electrolyte contains a large amount of C–O, C– N etc.
The polar group can react with the negative electrode material, and the formed SEI film is more susceptible to low temperature; · The carbon negative electrode is difficult to intercalate lithium at low temperature, and there is asymmetric charge and discharge.
a98c6b55abdcd5adc3579beecae2cbd9.png
کم درجہ حرارت الیکٹرولائٹ پر تحقیق
الیکٹرولائٹ لتیم-آئن بیٹریوں میں Li پلس کی نقل و حمل کا کردار ادا کرتا ہے، اور اس کی آئنک چالکتا اور SEI فلم-بنانے والی خصوصیات بیٹری کے کم-درجہ حرارت کی کارکردگی پر نمایاں اثر ڈالتی ہیں۔ . کم درجہ حرارت کے الیکٹرولائٹس کے فوائد اور نقصانات کو جانچنے کے لیے تین اہم اشارے ہیں: آئنک چالکتا، الیکٹرو کیمیکل ونڈو اور الیکٹروڈ ری ایکٹیویٹی۔ ان تین اشاریوں کی سطح کافی حد تک اس کے اجزاء پر منحصر ہے: سالوینٹ، الیکٹرولائٹ (لتیم نمک)، اور اضافی۔ لہذا، بیٹری کے کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو سمجھنے اور بہتر بنانے کے لیے الیکٹرولائٹ کے ہر حصے کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر تحقیق بہت اہمیت کی حامل ہے۔
·Low-temperature characteristics of EC-based electrolytes Compared with chain carbonates, cyclic carbonates have a tighter structure, larger acting force, and higher melting point and viscosity. However, the large polarity brought by the ring structure makes it often have a large dielectric constant. The large dielectric constant, high ionic conductivity, and excellent film-forming properties of EC solvent effectively prevent the co-insertion of solvent molecules, making it indispensable. Therefore, most of the commonly used low-temperature electrolyte systems are based on EC, and then mixed Small molecule solvent with low melting point. ·Lithium salt is an important component of electrolyte. Lithium salt in the electrolyte can not only improve the ionic conductivity of the solution, but also reduce the diffusion distance of Li plus in the solution. In general, the greater the concentration of Li plus in the solution, the greater the ionic conductivity. However, the concentration of lithium ions in the electrolyte is not linearly related to the concentration of lithium salts, but is parabolic. This is because the concentration of lithium ions in the solvent depends on the strength of the dissociation and association of lithium salts in the solvent.
کم درجہ حرارت الیکٹرولائٹ پر تحقیق
خود بیٹری کی ساخت کے علاوہ، اصل آپریشن میں عمل کے عوامل بھی بیٹری کی کارکردگی پر بہت زیادہ اثر ڈالیں گے۔
(1) تیاری کا عمل۔ یعقوب وغیرہ۔ LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر الیکٹروڈ لوڈ اور کوٹنگ کی موٹائی کے اثر کا مطالعہ کیا اور پتہ چلا کہ صلاحیت برقرار رکھنے کے لحاظ سے، الیکٹروڈ کا بوجھ چھوٹا اور کوٹنگ کی پرت جتنی پتلی ہوگی، کم درجہ حرارت کی کارکردگی اتنی ہی بہتر ہوگی۔ .
(2) چارج اور خارج ہونے کی حالت۔ Petzl et al. بیٹری سائیکل کی زندگی پر کم-درجہ حرارت کے چارج-ڈسچارج حالت کے اثر کا مطالعہ کیا، اور پتہ چلا کہ جب خارج ہونے کی گہرائی زیادہ ہوتی ہے، تو اس سے زیادہ صلاحیت کا نقصان ہوتا ہے اور سائیکل کی زندگی کم ہوتی ہے۔
(3) دیگر عوامل۔ سطح کا رقبہ، سوراخ کا سائز، الیکٹروڈ کی کثافت، الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کی گیلا ہونے کی صلاحیت، اور الگ کرنے والا، وغیرہ، سبھی لتیم-آئن بیٹریوں کی کم-درجہ حرارت کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں۔ اس کے علاوہ، بیٹری کے کم درجہ حرارت کی کارکردگی پر مواد اور عمل کے نقائص کے اثر کو نظر انداز نہیں کیا جا سکتا۔
خلاصہ کریں۔
لتیم آئن بیٹریوں کی کم درجہ حرارت کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے، درج ذیل نکات پر عمل کرنے کی ضرورت ہے:
(1) ایک پتلی اور گھنی SEI فلم بنائیں۔
(2) اس بات کو یقینی بنائیں کہ لی پلس کا فعال مواد میں ایک بڑا پھیلاؤ گتانک ہے۔
(3) الیکٹرولائٹ میں کم درجہ حرارت پر اعلی آئنک چالکتا ہے۔
اس کے علاوہ، تحقیق لیتھیم-آئن بیٹری-تمام-ٹھوس-اسٹیٹ لیتھیم-آئن بیٹری کی ایک اور قسم کو دیکھنے کا ایک اور طریقہ بھی تلاش کر سکتی ہے۔ . روایتی لتیم-آئن بیٹریوں کے مقابلے میں، تمام-ٹھوس-اسٹیٹ لیتھیم-آئن بیٹریاں، خاص طور پر تمام-ٹھوس-اسٹیٹ پتلی- {11}}فلم لیتھیم-آئن بیٹریاں، توقع کی جاتی ہے کہ جب بیٹریاں کم درجہ حرارت پر استعمال کی جاتی ہیں تو ان سے صلاحیت کی کمی اور سائیکل کی حفاظت کا مسئلہ مکمل طور پر حل ہو جائے گا۔
