લિથિયમ-આયન બેટરી શેમાંથી બને છે?

લિથિયમ-આયન બેટરીનો પરિચય

લિથિયમ-આયન બેટરીના કાર્યકારી સિદ્ધાંત

લિથિયમ-આયન બેટરીમાં મુખ્યત્વે પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ, નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કે જે લિથિયમ આયનોનું સંચાલન કરે છે અનેવિભાજકઅને કેસીંગ જે હકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડને અલગ કરે છે. સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી સામાન્ય રીતે એક સંયોજન છે જે લિથિયમ આયનોના ઉલટાવી શકાય તેવું નિવેશ અને નિષ્કર્ષણ માટે પરવાનગી આપે છે, જેમ કે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LiCoO₂), લિથિયમ નિકલ ઓક્સાઇડ (LiNiO₂), લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (LiMn₂O₄), અથવા ટર્નરી સામગ્રી. (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). ઇલેક્ટ્રોલાઇટ લિથિયમ ક્ષારથી બનેલું છે (સામાન્ય લિથિયમ ક્ષારોમાં LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, વગેરેનો સમાવેશ થાય છે.) ચોક્કસ દ્રાવકમાં ઓગળવામાં આવે છે (મુખ્યત્વે ઇથિલિન કાર્બોનેટ (EC), ડાયથાઇલ કાર્બોનેટ (DEC), ડાઇમેથાઇલ કાર્બોનેટ (એમસીસી, કાર્બોનેટ, વગેરે). પ્રમાણ). વિભાજક સામગ્રી સામાન્ય રીતે પોલિઓલેફિન રેઝિન છે, સામાન્ય રીતે સિંગલ-લેયર અથવા મલ્ટી-લેયર પોલીપ્રોપીલિન (PP) અને પોલિઇથિલિન (PE) માઇક્રોપોરસ મેમ્બ્રેનનો ઉપયોગ કરે છે, જેમ કે સેલગાર્ડ 2300 વિભાજક. નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામાન્ય રીતે લિથિયમ ઇન્ટરકેલેશન માટે સક્ષમ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, જેમ કે પેટ્રોલિયમ કોક, શુદ્ધ ગ્રેફાઇટ અને સ્તરવાળી ગ્રેફાઇટ મિશ્રિત કાર્બન. નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે કાર્બન (C₆) નો ઉપયોગ કરીને લિથિયમ{10}}આયન બેટરીમાં પ્રતિક્રિયા અને હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે સંક્રમણ મેટલ ઓક્સાઇડ LiMeO₂ નીચે મુજબ છે.

ચાર્જિંગ દરમિયાન:

ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન:

ચાર્જિંગ દરમિયાન, લિથિયમ આયનો હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાંથી મુક્ત થાય છે અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં દાખલ થાય છે; ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન, લિથિયમ આયનો નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાંથી મુક્ત થાય છે અને હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં દાખલ થાય છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન, લિથિયમ આયનો સકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે આગળ અને પાછળ ફરે છે, જેમ કે રોકિંગ ચેર. તેથી, લિથિયમ-આયન બેટરીને "રોકિંગ ચેર બેટરી" પણ કહેવામાં આવે છે. તેમના કાર્ય સિદ્ધાંતને આકૃતિ 1.1 દ્વારા સમજાવી શકાય છે.

સામાન્ય ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ પરિસ્થિતિઓમાં, સ્તરવાળી કાર્બન સામગ્રીઓ અને ઓક્સાઇડ કણો વચ્ચે અથવા લિથિયમ{0}}આયન બેટરીઓમાં સ્તરો વચ્ચે લિથિયમ આયનનો નિવેશ અને નિષ્કર્ષણ સામાન્ય રીતે માત્ર ઇન્ટરલેયર અંતરમાં ફેરફારનું કારણ બને છે અને સ્ફટિક બંધારણને નુકસાન કરતું નથી. ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન, હકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની રાસાયણિક રચનાઓ આવશ્યકપણે યથાવત રહે છે. તેથી, ચાર્જની રિવર્સિબિલિટી-ડિસ્ચાર્જ પ્રતિક્રિયાના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, બેટરી સામગ્રીમાં લિથિયમ આયનોનો નિવેશ અને નિષ્કર્ષણ એ એક આદર્શ પ્રતિક્રિયા પ્રક્રિયા છે. આ લાક્ષણિકતાઓના આધારે, લિથિયમ-આયન બેટરીઓ નિકલ-કેડમિયમ અને નિકલ-મેટલ હાઇડ્રાઇડ બેટરી કરતાં પ્રદર્શનમાં શ્રેષ્ઠ છે.

લિથિયમ-આયન બેટરીનું વર્ગીકરણ

લિથિયમ-આયન બેટરીને વપરાયેલી કેથોડ સામગ્રી, દેખાવ અને કદ, સેલ ઉત્પાદન પદ્ધતિ, પેકેજિંગ પ્રકાર અને એપ્લિકેશન લાક્ષણિકતાઓ અનુસાર વર્ગીકૃત કરી શકાય છે.

વપરાયેલ કેથોડ સામગ્રીના આધારે, લિથિયમ-આયન બેટરીને લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ બેટરી, લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ બેટરી, ટર્નરી લિથિયમ બેટરી અને લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ બેટરીમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ બેટરીમાં 3.7V નો નોમિનલ વોલ્ટેજ અને 2.4~4.2V ની ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ રેન્જ હોય ​​છે. લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ બેટરીઓ સ્થિર માળખું, ઉચ્ચ વિશિષ્ટ ક્ષમતા અને ઉત્કૃષ્ટ એકંદર પ્રદર્શન ધરાવે છે, પરંતુ તેમની સલામતી નબળી છે અને તેમની કિંમત ઊંચી છે, મુખ્યત્વે નાના અને મધ્યમ કદના કોષોમાં વપરાય છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ સામગ્રી વિકસાવવામાં આવી છે, જે બેટરીના ઉપલા મર્યાદા વોલ્ટેજને 4.3V અથવા 4.35V સુધી વધારી શકે છે, જેનાથી બેટરીની ક્ષમતા અને ઊર્જા ઘનતામાં અસરકારક રીતે સુધારો થાય છે. હાલમાં, લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઈડ બેટરીઓ સૌથી વધુ વોલ્યુમેટ્રિક એનર્જી ડેન્સિટી ધરાવે છે, જે 550Wh/kg સુધી પહોંચે છે, જે ઉચ્ચ-મોબાઈલ ફોન અને અન્ય ઈલેક્ટ્રોનિક ઉત્પાદનોને પાવર આપવા માટેની એકમાત્ર પસંદગી બનાવે છે.

લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (MMANO) બેટરીમાં 3.8V નો નોમિનલ વોલ્ટેજ અને 2.5V થી 4.2V ની ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ રેન્જ હોય ​​છે. ઓવરચાર્જ પ્રોટેક્શન વોલ્ટેજ 4.28V ± 0.025V છે, અને વધુ-ડિસ્ચાર્જ પ્રોટેક્શન વોલ્ટેજ 2.5V ± 0.1V છે. MMANO બેટરીની કિંમત ઓછી{10}}અને સારી સલામતી હોય છે. જો કે, લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ સામગ્રી પોતે પ્રમાણમાં અસ્થિર છે અને વિઘટનની સંભાવના ધરાવે છે, ગેસ અને સોજો ઉત્પન્ન કરે છે. તેનું ચક્ર જીવન પ્રમાણમાં ઝડપથી ક્ષીણ થઈ જાય છે, તેનું આયુષ્ય પ્રમાણમાં ટૂંકું છે, અને તેનું ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રભાવ નબળું છે. તે મુખ્યત્વે પાવર બેટરીના ઉત્પાદન માટે ઓછી-ખર્ચે, મધ્યમ-થી-મોટા-સાઇઝના કોષોમાં વપરાય છે.

ટર્નરી લિથિયમ-આયન (TLC) બેટરીમાં 3.6V નો નજીવો વોલ્ટેજ અને 2.75V થી 4.2V ની ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ રેન્જ હોય ​​છે. ઓવરચાર્જ પ્રોટેક્શન વોલ્ટેજ 4.28V ± 0.025V છે, અને વધુ-ડિસ્ચાર્જ પ્રોટેક્શન વોલ્ટેજ 2.75V ± 0.1V છે. TLC બેટરીઓ એકંદરે સારી કામગીરી ધરાવે છે, તે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LCO) કરતાં સસ્તી છે અને સુધારેલી સલામતી પ્રદાન કરે છે. તેનો ઉપયોગ પાવર બેટરીમાં થઈ શકે છે, અને કેથોડ મટિરિયલ માર્કેટમાં તેમનો બજારહિસ્સો દર વર્ષે વધી રહ્યો છે. ટર્નરી લિથિયમ-આયન સામગ્રીનો ઉપયોગ કરતી નાની લિથિયમ-આયન બેટરીઓ ધીમે ધીમે બજાર દ્વારા સ્વીકારવામાં આવી રહી છે. સ્ટીલ-કેસ, એલ્યુમિનિયમ-કેસ, પાઉચ, પોલિમર અને સિલિન્ડ્રિકલ લિથિયમ-આયન બેટરીમાં ઉપયોગમાં લેવા માટે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઑક્સાઈડ અને લિથિયમ મેંગેનીઝ ઑક્સાઈડ સાથે ટર્નરી મટિરિયલ્સને પણ ભેળવી શકાય છે, જે બૅટરીના ખર્ચમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરી શકે છે અને સમગ્ર કામગીરીમાં સુધારો કરી શકે છે. હાલમાં, ટર્નરી મટીરીયલ બેટરી 180 Wh/kg ની ઊર્જા ઘનતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે (26650 સ્ટીલ-કેસ્ડ બેટરી 90g ના વજન સાથે 4600 mAh/kg ની ક્ષમતા સુધી પહોંચી શકે છે, જે ખર્ચમાં સ્પષ્ટ લાભ આપે છે-અસરકારકતા.

લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LFP) બેટરીમાં 3.2V નો નોમિનલ વોલ્ટેજ અને 2.5~3.75V ની ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ રેન્જ હોય ​​છે. ઓવરચાર્જ પ્રોટેક્શન વોલ્ટેજ 3.75V±0.025V છે, અને -થી વધુ ડિસ્ચાર્જ પ્રોટેક્શન વોલ્ટેજ 2.5V±0.1V છે. LFP બેટરીનો સૌથી મોટો ફાયદો એ છે કે સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની સ્થિરતા અને બિન{10}}વિઘટન છે, જે તેમને અન્ય હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી સિસ્ટમોની તુલનામાં અપ્રતિમ સલામતી આપે છે. LFP બૅટરીઓ લાંબી સાઇકલ લાઇફ ધરાવે છે, સંસાધનોમાં વિપુલ પ્રમાણમાં હોય છે અને પર્યાવરણને અનુકૂળ હોય છે. જો કે, તેમની પાસે ઓછું ડિસ્ચાર્જ પ્લેટફોર્મ અને નબળું{13}}તાપમાન પ્રદર્શન છે.

દેખાવ અને કદના આધારે, લિથિયમ-આયન બેટરીને નળાકાર બેટરી અને પ્રિઝમેટિક બેટરી વગેરેમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

કોષ ઉત્પાદન પદ્ધતિના આધારે, લિથિયમ-આયન બેટરીઓને ઘાની બેટરી (નળાકાર ઘા અને સપાટ ઘા), સ્ટેક્ડ બેટરી વગેરેમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

પેકેજિંગ સામગ્રીના પ્રકાર પર આધારિત, લિથિયમ-આયન બેટરીઓને સ્ટીલ-કેસ બેટરી, એલ્યુમિનિયમ-કેસ બેટરી, પ્લાસ્ટિક-કેસ્ડ બેટરી, સોફ્ટ{-પેક બેટરી વગેરેમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

એપ્લિકેશન લાક્ષણિકતાઓના આધારે, લિથિયમ-આયન બેટરીને ઉચ્ચ-તાપમાન બેટરી, નીચા-તાપમાનની બેટરી, પાવર બેટરી અને ક્ષમતાની બેટરી વગેરેમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.

તેમના એપ્લિકેશન વિસ્તારોના આધારે, લિથિયમ-આયન બેટરીને આ રીતે વર્ગીકૃત કરી શકાય છે: બેકઅપ બેટરી, પાવર બેટરી અને એનર્જી સ્ટોરેજ બેટરી.

લિથિયમ-આયન બેટરીનો ઉપયોગ

એવું કહી શકાય કે બૅટરીની શોધ થઈ ત્યારથી, લિથિયમ-આયન બૅટરી જેટલી ઝડપથી અને વ્યાપકપણે કોઈ અન્ય બૅટરી પ્રોડક્ટનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો નથી. કમ્પ્યુટર CPU માટે ઘડિયાળના પાવર સપ્લાયથી લઈને ઓટોમોબાઈલ અને સબમરીનમાં વપરાતા મોટા લિથિયમ-આયન બેટરી પેક સુધી, ક્ષમતાનો તફાવત 10 મિલિયન ગણાથી વધુ છે. તેમની પાસે રોજિંદા જીવનમાં, તબીબી સાધનો, ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, ઊર્જા સંગ્રહ પાવર સ્ટેશન, એરોસ્પેસ અને સૈન્યમાં વ્યાપક એપ્લિકેશન છે.

લોકપ્રિયતાના 10 વર્ષથી વધુ સમય પછી, લિથિયમ-આયન બેટરી એ એકમાત્ર પાવર સિસ્ટમ બની ગઈ છે જેનો વ્યાપકપણે ડિજિટલ ઉત્પાદનો જેમ કે મોબાઈલ ફોન અને લેપટોપમાં ઉપયોગ થાય છે. તેમની ઉચ્ચ વિશિષ્ટ ઊર્જાને લીધે, તેઓ પાવર ટૂલ્સ, ઇલેક્ટ્રિક સાયકલ, ઇલેક્ટ્રિક બસો, પવન અને સૌર ઊર્જા સંગ્રહ પાવર સ્ટેશન, મોબાઇલ કમ્યુનિકેશન બેઝ સ્ટેશન, માઇનિંગ લેમ્પ પાવર સપ્લાય, માઇનિંગ રેસ્ક્યૂ કેપ્સ્યુલ પાવર સપ્લાય, લશ્કરી વ્યક્તિગત સૈનિક પાવર સપ્લાય, રેડિયો, સેટેલાઇટ બેટરી અને અન્ય ઘણી એપ્લિકેશન્સમાં પણ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આંકડા અનુસાર, 2011 માં, ચીનના લિથિયમ બેટરી ઉદ્યોગનું બજાર કદ 39.7 બિલિયન યુઆન પર પહોંચ્યું હતું, જે એક વર્ષ-પર-વર્ષ 43%ના વધારા સાથે, અને લિથિયમ બેટરીનું વાર્ષિક ઉત્પાદન 2.97 બિલિયન યુનિટ પર પહોંચ્યું હતું, એક વર્ષ{10}}વર્ષે{116}% નો વધારો થયો હતો. લિથિયમ બેટરી ઉદ્યોગ રાષ્ટ્રીય અર્થતંત્રની મહત્વપૂર્ણ ઔદ્યોગિક દિશા બની ગયો છે²¹.