એનોડ સામગ્રી શું છે?

એનોડ સામગ્રી એ બેટરીમાં નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ ઘટક છે જ્યાં ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન ઓક્સિડેશન થાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોનને મુક્ત કરે છે જે બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા કેથોડમાં વહે છે. લિથિયમ-આયન બેટરીમાં, એનોડ સામગ્રી ચાર્જિંગ દરમિયાન લિથિયમ આયનોને સંગ્રહિત કરે છે અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન છોડે છે. આ સામગ્રીઓ ચાર્જિંગ સ્પીડ, એનર્જી સ્ટોરેજ કેપેસિટી, સાઇકલ લાઇફ અને સેફ્ટી પર્ફોર્મન્સ સહિતની બેટરીની નિર્ણાયક લાક્ષણિકતાઓને સીધી રીતે નિર્ધારિત કરે છે. સૌથી સામાન્ય એનોડ સામગ્રી ગ્રેફાઇટ છે, જે લગભગ 98% કોમર્શિયલ લિથિયમ-આયન બેટરીનો હિસ્સો ધરાવે છે, જોકે ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતાવાળા કાર્યક્રમો માટે સિલિકોન-આધારિત વિકલ્પો ઉભરી રહ્યા છે.

બેટરી એનોડ વિવિધ સામગ્રી પરિવારો પર આધાર રાખે છે, દરેક ઊર્જા સંગ્રહ એપ્લિકેશનો માટે અલગ પ્રદર્શન વેપાર-ઓફ ઓફર કરે છે.

ગ્રેફાઇટ કોમર્શિયલ લિથિયમ-આયન બેટરી ઉત્પાદનમાં પ્રભુત્વ ધરાવે છે, જે 2024 સુધીમાં એનોડ માર્કેટમાં આશરે 98% હિસ્સો ધરાવે છે. આ કાર્બન-સંરચિત સામગ્રી ચાર્જિંગ દરમિયાન તેની સ્તરવાળી ગ્રેફિન શીટ્સ વચ્ચે લિથિયમ આયનો સંગ્રહ કરે છે. કુદરતી ગ્રેફાઇટ, ખનિજ થાપણોમાંથી કાઢવામાં આવે છે, તે નીચા ઉત્પાદન ખર્ચે ઉચ્ચ ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે પરંતુ ચાર્જ-સ્રાવ ચક્ર દરમિયાન માળખાકીય વિસ્તરણનો અનુભવ કરે છે. સિન્થેટીક ગ્રેફાઇટ 2,500 ડિગ્રીથી વધુ તાપમાનની સારવારમાંથી પસાર થાય છે, વધુ સ્થિર આંતરિક માળખું બનાવે છે જે બેટરીના જીવનકાળને લંબાવે છે અને વિપુલ પ્રમાણમાં લિથિયમ-આયન માર્ગો દ્વારા ઝડપી ચાર્જિંગને સક્ષમ કરે છે.

ગ્રેફાઇટની સૈદ્ધાંતિક મહત્તમ ક્ષમતા 372 mAh/g પર બેસે છે, જ્યારે એક લિથિયમ આયન છ કાર્બન અણુઓ સાથે સંપૂર્ણ લિથિએટેડ સ્થિતિમાં (LiC₆) જોડે ત્યારે પ્રાપ્ત થાય છે. જ્યારે ઉત્પાદકોએ દાયકાઓના ઑપ્ટિમાઇઝેશન દ્વારા આ મર્યાદા સુધી પહોંચી ગયા છે, ત્યારે ગ્રેફાઇટની ક્ષમતાની ટોચમર્યાદાએ ઉદ્યોગને ઉચ્ચ-પ્રદર્શન વિકલ્પોની શોધ કરવા દબાણ કર્યું છે.

સિલિકોન એ સૌથી વધુ આશાસ્પદ ઉચ્ચ-ક્ષમતાનો વિકલ્પ રજૂ કરે છે, જે ગ્રેફાઇટના 6:1 કાર્બન-થી-લિથિયમ ગુણોત્તરની સરખામણીમાં સિલિકોન અણુ દીઠ 4.4 લિથિયમ આયનોનો સંગ્રહ કરે છે. આ પરમાણુ-સ્તરનો ફાયદો 3,600 mAh/g-લગભગ ગ્રેફાઇટના મહત્તમ દસ ગણા કરતાં વધુની સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતાઓમાં અનુવાદ કરે છે.

પડકાર સિલિકોનના વોલ્યુમ વિસ્તરણમાં રહેલો છે. લિથિએશન દરમિયાન, સિલિકોન કણો તેમના મૂળ કદના આશરે 300-400% જેટલા ફૂલી જાય છે. આ વિસ્તરણ યાંત્રિક તાણ બનાવે છે જે સામગ્રીમાં તિરાડ પાડે છે, વિદ્યુત જોડાણો તોડે છે અને ક્ષમતામાં ઝડપી ઘટાડો થાય છે. પ્રારંભિક શુદ્ધ સિલિકોન એનોડ 10 ચાર્જ ચક્રની અંદર મોટાભાગની ક્ષમતા ગુમાવે છે.

વર્તમાન વ્યાપારી અભિગમો સંયુક્ત માળખામાં સિલિકોનને ગ્રેફાઇટ સાથે મિશ્રિત કરે છે. POSCO ફ્યુચર M એ માર્ચ 2025 માં સિલિકોન-કાર્બન એનોડ રજૂ કર્યો હતો, જેમાં 2027 માટે લક્ષ્યાંકિત મોટા પાયે ઉત્પાદન સાથે પાંચ ગણી ગ્રેફાઇટની સંગ્રહ ક્ષમતા ઓફર કરવામાં આવી હતી. LG એનર્જી સોલ્યુશન 2019માં ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં 5% સિલિકોન-ડોપેડ એનોડ લાગુ કરનાર પ્રથમ ઉત્પાદક બન્યું હતું. સિલિકોન ઇન્ડસ્ટ્રીઝ 2019માં 2019માં 2019માં સિલિકોન કાર્બન એનોડ 2020-4000000% સામાન્ય રીતે ઉર્જા ઘનતામાં વધારો કરતી વખતે વિસ્તરણ સમસ્યાઓનું સંચાલન કરવા માટે વજન દ્વારા 8% ની નીચે રહે છે.

ગ્રેફાઇટની શૂન્ય સંભવિતતાની નજીકની-ની તુલનામાં LTO એનોડ ઉચ્ચ વોલ્ટેજ પોટેન્શિયલ (લગભગ 1.55V વિ. Li/Li⁺) પર કાર્ય કરે છે. આ વોલ્ટેજ પોઝિશનિંગ લિથિયમ ડેંડ્રાઈટની રચના-મેટાલિક થ્રેડોને અટકાવે છે જે બેટરી વિભાજકોને પંચર કરી શકે છે અને શોર્ટ સર્કિટનું કારણ બની શકે છે. સામગ્રી ન્યૂનતમ વોલ્યુમ ફેરફારો સાથે સાયકલિંગ દરમિયાન માળખાકીય સ્થિરતા જાળવી રાખે છે, જે તેને એરક્રાફ્ટ અને પેસેન્જર જહાજોમાં સલામતી-ક્રિટીકલ એપ્લીકેશન માટે યોગ્ય બનાવે છે.

વેપાર-ઊર્જા ઘનતામાં આવે છે. LTO નું ઉચ્ચ ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ જ્યારે પ્રમાણભૂત કેથોડ્સ સાથે જોડી બનાવવામાં આવે ત્યારે એકંદર સેલ વોલ્ટેજ ઘટાડે છે, ક્ષમતા મર્યાદિત કરે છે. એનર્જી એન્ડ એન્વાયર્નમેન્ટલ મટિરિયલ્સમાં 2024ના અભ્યાસમાં એલટીઓના ઉપયોગને અત્યંત સલામતી-ની માંગ કરતી પરિસ્થિતિઓમાં પ્રકાશિત કરવામાં આવી હતી જ્યાં તેનું ઘટેલું થર્મલ રનઅવે જોખમ ઉર્જા ઘનતાની ચિંતા કરતાં વધી જાય છે.

લિથિયમ મેટલ એનોડ સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતાને 3,860 mAh/g-ગ્રેફાઇટની મર્યાદા કરતાં દસ ગણી વધારે છે. લિથિયમ આયનોને હોસ્ટ સ્ટ્રક્ચરમાં સ્ટોર કરવાને બદલે, ચાર્જિંગ દરમિયાન લિથિયમ મેટલ એનોડ લિથિયમને સીધી સપાટી પર ઇલેક્ટ્રોડેપોઝિટ કરે છે. એલજી એનર્જી સોલ્યુશન 2027ના અંત સુધીમાં ઓછી-ક્ષમતાવાળી સિસ્ટમ્સમાં લિથિયમ મેટલ એનોડ રજૂ કરવાની યોજના ધરાવે છે, જે પછીથી વધુ-ક્ષમતાવાળા કાર્યક્રમોમાં વિસ્તરણ કરશે.

મેટલ ઓક્સાઇડ્સ અને ફોસ્ફાઇડ્સનો ઉપયોગ કરીને રૂપાંતર-ટાઈપ એનોડ, એલોય-ટીન અને જર્મેનિયમ અને ઓર્ગેનિક એનોડ સંયોજનોનો સમાવેશ કરતી સામગ્રીઓ પર સંશોધન ચાલુ છે. આ મોટાભાગે 2025 સુધી વિકાસના તબક્કામાં રહે છે.

Anode Material

એનોડ ઉત્પાદનમાં સામગ્રીના પ્રકારને ધ્યાનમાં લીધા વિના બહુવિધ ચોકસાઇના પગલાંનો સમાવેશ થાય છે.

કાચો માલ સક્રિય એનોડ સંયોજનોમાં સંશ્લેષિત થાય છે, પછી તેને ઝીણા પાવડરમાં ગ્રાઈન્ડ કરવામાં આવે છે અને સ્લરી બનાવવા માટે બાઈન્ડર અને વાહક ઉમેરણો સાથે મિશ્રિત થાય છે. ગ્રેફાઇટ એનોડ માટે, ઉત્પાદકો આ સ્લરીને કોપર ફોઇલ વર્તમાન કલેક્ટર્સ પર કોટ કરે છે. કોટેડ વરખ દ્રાવકને દૂર કરવા અને સામગ્રીની સંલગ્નતાને સુરક્ષિત કરવા માટે સૂકવતા ઓવનમાંથી પસાર થાય છે. એક કેલેન્ડરિંગ પ્રક્રિયા રોલર્સ દ્વારા કોટિંગને સંકુચિત અને સરળ બનાવે છે, એકસમાન જાડાઈ અને યોગ્ય સંલગ્નતાની ખાતરી કરે છે.

સિલિકોન-ગ્રેફાઇટ કમ્પોઝીટને વોલ્યુમ વિસ્તરણનું સંચાલન કરવા માટે વધારાની પ્રક્રિયાની જરૂર પડે છે. અદ્યતન તકનીકોમાં 100 નેનોમીટરથી નીચેના કણોમાં નેનોસ્ટ્રક્ચરિંગ સિલિકોન, વિસ્તરણને મર્યાદિત કરવા માટે કાર્બન શેલ સાથે સિલિકોન કોટિંગ અને છિદ્રાળુ ગ્રેફાઇટ મેટ્રિસિસમાં સિલિકોન એમ્બેડ કરવાનો સમાવેશ થાય છે. રાસાયણિક વરાળ જમા કરવાની પદ્ધતિઓ ઉચ્ચ ઉત્પાદન જટિલતા હોવા છતાં, કાર્બન સ્ટ્રક્ચર્સમાં વિખરાયેલા સમાન નેનો-સ્કેલ સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરી શકે છે.

Anode Material

અસરકારક એનોડ સામગ્રીએ ઘણી સ્પર્ધાત્મક આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવી આવશ્યક છે.

ચોક્કસ ક્ષમતા: વધુ ક્ષમતા ધરાવતી સામગ્રીઓ એકમ વજન દીઠ વધુ ઉર્જાનો સંગ્રહ કરે છે. જ્યારે વ્યવહારમાં ગ્રેફાઇટ મહત્તમ 360 mAh/g છે, ત્યારે સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ હાલમાં ઔદ્યોગિક સ્કેલ પર 450-500 mAh/g પહોંચાડે છે.

વિદ્યુત વાહકતા: ઉર્જાનું નુકસાન ઘટાડવા માટે સામગ્રીને પૂરતી ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતાની જરૂર છે. ગ્રેફાઇટની ઉત્તમ વાહકતા તેને આદર્શ બનાવે છે, જ્યારે શુદ્ધ સિલિકોનને વર્તમાન પ્રવાહ જાળવવા માટે કાર્બન ઉમેરણો અથવા કોટિંગ્સની જરૂર પડે છે.

માળખાકીય સ્થિરતા: સામગ્રીએ અધોગતિ વિના વારંવાર લિથિયમ દાખલ અને નિષ્કર્ષણનો સામનો કરવો જોઈએ. ગ્રેફાઇટ માળખું સારી રીતે જાળવે છે, પરંતુ સિલિકોનના વિસ્તરણને ક્રેકીંગ અટકાવવા માટે સંયુક્ત આર્કિટેક્ચરની જરૂર છે.

પ્રથમ ચક્ર કાર્યક્ષમતા: પ્રારંભિક ચાર્જ ચક્ર ઘન-ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SEI) સ્તર બનાવે છે જે લિથિયમને ઉલટાવી ન શકાય તેવું વાપરે છે. લોઅર ફર્સ્ટ-ચક્ર કાર્યક્ષમતા એટલે ઓછી ઉપલબ્ધ ક્ષમતા. ગ્રેફાઇટ સામાન્ય રીતે 90-93% પ્રારંભિક કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે, જ્યારે સિલિકોન સામગ્રી ઐતિહાસિક રીતે 70-85% પર પાછળ રહે છે.

સાયકલ જીવન: વાણિજ્યિક બેટરીઓ 80% ક્ષમતા જાળવી રાખવા સાથે 800-1,200 ચાર્જ સાયકલને લક્ષ્ય બનાવે છે. ગ્રેફાઇટ સરળતાથી આ બેન્ચમાર્કને ઓળંગી જાય છે. 2023-2025 ની વચ્ચે વિકસિત અદ્યતન પ્રક્રિયા તકનીકો દ્વારા સિલિકોન-કાર્બન સંયોજનો 300-500 ચક્રથી 800-1,200 ચક્રમાં સુધરી છે.

2024માં એનોડ મટિરિયલ્સનું બજાર $3.5 બિલિયન સુધી પહોંચ્યું હતું અને 2034 સુધીમાં $14.7 બિલિયનનો પ્રોજેક્ટ છે, જે InsightAce Analytics અનુસાર વાર્ષિક 15.7%ના દરે વધી રહ્યો છે. આ વિસ્તરણ ઇલેક્ટ્રિક વાહન અપનાવવા અને ગ્રીડ-સ્કેલ એનર્જી સ્ટોરેજ ડિપ્લોયમેન્ટ સાથે સીધું ટ્રેક કરે છે.

કેથોડ સામગ્રીના 30-40% હિસ્સાની સરખામણીમાં એનોડ સામગ્રી 10-15% લિથિયમ-આયન બેટરી સેલ ખર્ચનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. 2024 માં, બેટરી પેકની કિંમતો 20% ઘટીને $115/kWh થઈ ગઈ - 2017 પછીનો સૌથી તીવ્ર ઘટાડો. બ્લૂમબર્ગએનઇએફ સેલ મેન્યુફેક્ચરિંગ ઓવરકેપેસિટી, સ્કેલની અર્થવ્યવસ્થા અને ઓછી ધાતુની કિંમતોને આભારી છે.લિથિયમ બેટરી કિંમતચીનમાં $94/kWh સુધી પહોંચી, જ્યારે યુએસ અને યુરોપીયન ભાવ અનુક્રમે 31% અને 48% ઉંચા ગયા.

આ કિંમત નિર્ધારણ દબાણ એનોડ સામગ્રી અર્થશાસ્ત્રને અસર કરે છે. નીચી પ્રોસેસિંગ જરૂરિયાતોને કારણે કુદરતી ગ્રેફાઇટની કિંમત સિન્થેટીક વેરિઅન્ટ કરતાં ઓછી છે. સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝીટની કિંમત હાલમાં ચીનમાં અંદાજે 750,000 CNY પ્રતિ ટન છે, જેમાં 50,000-80,000 CNY પ્રતિ ટન ગ્રેફાઇટ સામે આર્થિક સદ્ધરતા માટે 110,000-170,000 CNY પ્રતિ ટન સુધી ઘટાડવાની જરૂર છે.

એનોડ ખર્ચ અને બેટરીની કિંમતો વચ્ચેનો સંબંધ જટિલ ગતિશીલતા બનાવે છે. જેમ જેમ બેટરી ઉત્પાદકો 2025 માં બજારહિસ્સો જાળવી રાખવા માટે માર્જિન સ્ક્વિઝ કરે છે, દબાણ સામગ્રી સપ્લાયર્સને અપસ્ટ્રીમ ટ્રાન્સફર કરે છે. એનોડ ઉત્પાદકો ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરીને અને આગલી-જનરેશન સામગ્રીને અનુસરીને પ્રતિસાદ આપે છે જે પ્રદર્શન લાભો દ્વારા પ્રીમિયમ કિંમતને ન્યાયી ઠેરવે છે.

કાચા માલના ખર્ચમાં નોંધપાત્ર વધઘટ થાય છે. લિથિયમ કાર્બોનેટના ભાવ 2022માં $70,000 પ્રતિ ટનથી ઘટીને 2024માં $15,000થી નીચે આવી ગયા હતા. જ્યારે કેથોડ સામગ્રીમાં વધુ લિથિયમ હોય છે, ત્યારે આ ભાવમાં ફેરફાર હજુ પણ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ખર્ચ અને સપ્લાય ચેઇન વિક્ષેપ દ્વારા એનોડ ઉત્પાદનને અસર કરે છે.

ચાઇના એનોડ સામગ્રીના ઉત્પાદન પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે, પુરવઠાની સાંદ્રતાના જોખમો બનાવે છે જેણે યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જી અને યુરોપિયન કમિશન બંનેને કુદરતી ગ્રેફાઇટને નિર્ણાયક સામગ્રી તરીકે સૂચિબદ્ધ કરવા માટે પ્રોત્સાહિત કર્યા. 2024 માં, ચાઇનીઝ ઉત્પાદકોએ વૈશ્વિક ગ્રેફાઇટ એનોડ આઉટપુટમાં આશરે 90% હિસ્સો મેળવ્યો હતો.

પશ્ચિમી ઉત્પાદન ક્ષમતા વિસ્તરી રહી છે પરંતુ મર્યાદિત રહે છે. સિરાહ રિસોર્સિસ, નોર્ધન ગ્રેફાઇટ અને નુવુ મોન્ડે જેવા ઉત્તર અમેરિકાના ઉત્પાદકો સપ્લાય ચેઇન વિકસાવી રહ્યા છે, જેમ કે ટાલ્ગા રિસોર્સિસ અને વિઆનોડ સહિતના યુરોપિયન ખેલાડીઓ છે. આ પ્રયાસો ટકાઉપણાની જરૂરિયાતો પૂરી કરતી વખતે ચીની ઉત્પાદન ખર્ચ સાથે મેળ ખાતા પડકારોનો સામનો કરે છે.

SMM આંકડાઓ અનુસાર, ચીનનું ગ્રેફાઇટ એનોડ ઉત્પાદન 2024માં 1.845 મિલિયન ટન પર પહોંચ્યું છે, જે વર્ષ-વર્ષ-વર્ષ કરતાં 14% વધારે છે. કૃત્રિમ ગ્રેફાઇટ આ વોલ્યુમના 90.6%નું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે કારણ કે ઉત્પાદકોએ ખર્ચને નિયંત્રિત કરવા માટે સતત ગ્રાફિટાઇઝેશન જેવી અદ્યતન તકનીકોનો ઉપયોગ કર્યો હતો. કુદરતી ગ્રેફાઇટ નિકાસ પ્રતિબંધોએ કેટલાક વિદેશી ગ્રાહકોને કૃત્રિમ ગ્રેફાઇટ તરફ દોર્યા, તેના બજાર હિસ્સામાં વધુ વધારો થયો.

વિવિધ એપ્લિકેશનો વિવિધ એનોડ લાક્ષણિકતાઓની માંગ કરે છે.

ઈલેક્ટ્રિક વાહનની બેટરી ઊર્જા ઘનતા અને ઝડપી ચાર્જિંગને પ્રાથમિકતા આપે છે. સિલિકોન-ડોપેડ ગ્રેફાઇટ એનોડ ડ્રાઇવિંગ રેન્જને વિસ્તારવામાં મદદ કરે છે, સિલિકોન સામગ્રી ધીમે ધીમે વધી રહી છે કારણ કે વોલ્યુમ વિસ્તરણ ઉકેલો સુધરે છે. ટેસ્લા, BMW અને અન્ય ઓટોમેકર્સે 2025-2027 વચ્ચે અમલીકરણ માટે સિલિકોન એનોડ ડેવલપર્સ સાથે ભાગીદારીની જાહેરાત કરી છે.

ઉપભોક્તા ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાયકલ જીવન અને સલામતી સાથે ઊર્જા ઘનતાને સંતુલિત કરે છે. સ્માર્ટફોન અને લેપટોપ સામાન્ય રીતે ઑપ્ટિમાઇઝ ગ્રેફાઇટ એનોડનો ઉપયોગ કરે છે જે ઘણા વર્ષોના ઉપયોગ દરમિયાન 500-1,000 ચાર્જ સાયકલ વિશ્વસનીય રીતે પહોંચાડે છે.

ગ્રીડ-સ્કેલ એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ સાયકલ લાઇફ પર ભાર મૂકે છે અને ઊર્જા ઘનતા પર ખર્ચ કરે છે કારણ કે જગ્યાની મર્યાદાઓ ઓછી મહત્વની છે. આ એપ્લીકેશનો ઘણીવાર લાંબા ગાળાની સ્થિરતા માટે ગ્રેફાઇટ એનોડ સાથે જોડાયેલા LFP (લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ) કેથોડ્સનો ઉપયોગ કરે છે. કેટલાક સ્થાપનો એલટીઓ એનોડ્સની શોધ કરે છે જ્યાં સલામતી અને આયુષ્ય ઊંચા ખર્ચને યોગ્ય ઠેરવે છે.

ફેબ્રુઆરી 2024માં વૈજ્ઞાનિક અહેવાલોમાં પ્રકાશિત થયેલા સંશોધનમાં બાયોચારના ઉત્પ્રેરક ગ્રાફિટાઇઝેશન દ્વારા બાયો-આધારિત એનોડ ઉત્પાદન દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. ટ્રાઇમેટાલિક હાઇબ્રિડ ઉત્પ્રેરક (નિકલ, આયર્ન અને મેંગેનીઝ) નો ઉપયોગ કરીને, સંશોધકોએ 89.28% ગ્રેફિટાઇઝેશન ડિગ્રી અને 73.95% રૂપાંતરણ દર પ્રાપ્ત કર્યા, જે પેટ્રોલિયમ આધારિત ગ્રેફાઇટનો ટકાઉ વિકલ્પ ઓફર કરે છે.

નેનોસ્ટ્રક્ચરિંગ એડવાન્સિસ સિલિકોન એનોડ પ્રદર્શનમાં સુધારો કરવાનું ચાલુ રાખે છે. પદ્ધતિઓમાં વર્તમાન કલેક્ટર્સ સાથે બંધાયેલા સિલિકોન નેનોવાયર બનાવવા, ગ્રાફીન શેલ્સમાં સિલિકોનને સમાવિષ્ટ કરવું અને કોર-શેલ પાર્ટિકલ સ્ટ્રક્ચર્સ ડિઝાઇન કરવાનો સમાવેશ થાય છે. ગ્રુપ14 ટેક્નૉલૉજીએ પરંપરાગત ગ્રેફાઇટ કરતાં 50% વધુ વોલ્યુમેટ્રિક ઊર્જા ઘનતાને સક્ષમ કરીને સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટની પેટન્ટ કરી છે.

સપાટી કોટિંગ તકનીકો SEI સ્તરની અસ્થિરતાને સંબોધિત કરે છે. પોલિએક્રીલિક એસિડ અને કાર્બોક્સિમિથાઈલ સેલ્યુલોઝ જેવા અદ્યતન બાઈન્ડર પરંપરાગત પોલીવિનાઈલિડીન ફ્લોરાઈડની તુલનામાં સિલિકોનના વોલ્યુમ ફેરફારોને વધુ સારી રીતે સમાવે છે. નવા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એડિટિવ્સ વધુ સ્થિર SEI સ્તરો બનાવવામાં મદદ કરે છે જે વિસ્તરણ-સંકોચન ચક્ર દરમિયાન ક્રેકીંગનો પ્રતિકાર કરે છે.

Anode Material

એનોડ સામગ્રીને સમજવા માટે ચોક્કસ પ્રદર્શન મેટ્રિક્સની તપાસ કરવી જરૂરી છે જે વાસ્તવિક-વિશ્વ બેટરી વર્તનને નિર્ધારિત કરે છે.

સામાન્ય સ્માર્ટફોનની બેટરીમાં આશરે 15-20 ગ્રામ એનોડ સામગ્રી હોય છે. 350 mAh/g વાસ્તવિક ક્ષમતા પર ગ્રેફાઇટનો ઉપયોગ કરીને, આ બેટરીની કુલ ઉર્જામાંથી લગભગ 5.25-7 Wh પ્રદાન કરે છે. 450 mAh/g પર 10% સિલિકોન કમ્પોઝિટ પર સ્વિચ કરવાથી આને 6.75-9 સુધી વધશે - લગભગ 20-25% વધારો.

ઝડપી ચાર્જિંગ ક્ષમતા એનોડ ગુણધર્મો પર ખૂબ આધાર રાખે છે. ગ્રેફાઇટ 2-3C સુધી પહોંચેલા અદ્યતન ફોર્મ્યુલેશન સાથે 1C (એક કલાકમાં સંપૂર્ણ ચાર્જ) ની આસપાસ ચાર્જ દર સુરક્ષિત રીતે સ્વીકારી શકે છે. સિલિકોન સામગ્રીઓ ગ્રેફાઇટ સ્તરો દ્વારા ઘન-સ્થિતિના પ્રસારને બદલે લિથિયમની સપાટીના ડિપોઝિશન મિકેનિઝમને કારણે વધુ ઊંચા દરનું વચન આપે છે.

તાપમાન પ્રદર્શન સામગ્રી દ્વારા બદલાય છે. ગ્રેફાઇટ એનોડ 0 ડિગ્રીથી નીચેના તાપમાને લિથિયમ પ્લેટિંગનું જોખમ લે છે, જ્યાં લિથિયમ યોગ્ય રીતે ઇન્ટરકેલેટ થવાને બદલે મેટલ તરીકે જમા થાય છે. આ સલામતી માટે જોખમો બનાવે છે. LTO નીચી ઉર્જા ઘનતા હોવા છતાં -30 ડિગ્રી સુધી પ્રભાવ જાળવી રાખે છે, જે તેને ઠંડા-આબોહવા માટે યોગ્ય બનાવે છે.

બેટરી ઉત્પાદકો પ્રમાણિત પ્રોટોકોલ દ્વારા એનોડ સામગ્રીનું મૂલ્યાંકન કરે છે. 0.1C પર રચના ચક્રો આધારરેખા ક્ષમતા અને SEI સ્તરની રચના સ્થાપિત કરે છે. પાવર ડિલિવરીનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે રેટ ક્ષમતા પરીક્ષણો ક્રમશઃ ઊંચા પ્રવાહો (0.5C, 1C, 2C, 3C) પર ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કરે છે. સાયકલ લાઇફ ટેસ્ટિંગ નિર્દિષ્ટ દરો અને તાપમાને સેંકડોથી હજારો ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ સાયકલ ચલાવે છે.

અદ્યતન પાત્રાલેખન તકનીકોમાં ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર પૃથ્થકરણ માટે એક્સ-કિરણ વિવર્તન, કણોના મોર્ફોલોજી માટે સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી અને પ્રતિકાર અને ચાર્જ ટ્રાન્સફર ગતિશાસ્ત્રને સમજવા માટે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઇમ્પિડન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનો સમાવેશ થાય છે. આ માપ ઉત્પાદકોને કણોનું કદ, આકાર, સપાટીનું ક્ષેત્રફળ અને કોટિંગ પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં મદદ કરે છે.

કણોના કદનું વિતરણ ખાસ કરીને પ્રભાવને અસર કરે છે. મોટા કણો સપાટીના વિસ્તારને ઘટાડે છે, પ્રતિક્રિયા ગતિશાસ્ત્રને મર્યાદિત કરે છે પરંતુ પ્રથમ-ચક્રની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે. નાના કણો પ્રતિક્રિયા દરમાં વધારો કરે છે પરંતુ અનિચ્છનીય બાજુ પ્રતિક્રિયાઓ માટે વધુ સપાટી વિસ્તાર બનાવે છે. ઉત્પાદકો સામાન્ય રીતે તેમની એપ્લિકેશન માટે ઑપ્ટિમાઇઝ કરેલ ચોક્કસ કદના વિતરણને લક્ષ્ય બનાવે છે, ઘણીવાર ગ્રેફાઇટ માટે 10-20 માઇક્રોમીટર રેન્જમાં.

એનોડ મટિરિયલ ફિલ્ડ ઝડપથી આગળ વધવાનું ચાલુ રાખે છે કારણ કે બેટરીની માંગ વધે છે. ગ્રેફાઇટ તેના ખર્ચ લાભો અને પરિપક્વ પુરવઠા શૃંખલાને જોતાં મધ્યમ ગાળા દરમિયાન પ્રબળ રહેશે. સિલિકોન એકીકરણ ધીમે ધીમે વધે છે કારણ કે ઉત્પાદકો વિસ્તરણ પડકારોને હલ કરે છે. લિથિયમ ધાતુ જેવી આગામી-પેઢીની સામગ્રીઓ તેમની તકનીકી અવરોધો માટે પ્રગતિશીલ ઉકેલો માટે વિકાસ પાઇપલાઇન્સમાં રાહ જુએ છે.

કી ટેકવેઝ

એનોડ સામગ્રીઓ બેટરીમાં નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ બનાવે છે જ્યાં ઓક્સિડેશન થાય છે, ગ્રેફાઇટ હાલમાં તેની 372 mAh/g ક્ષમતા અને કિંમત-અસરકારકતાને કારણે 98% માર્કેટ શેર પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે

સિલિકોન 3,600+ mAh/g પર 10x વધુ સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે પરંતુ 300-400% વોલ્યુમ વિસ્તરણ પડકારોનો સામનો કરે છે જે 2025 સુધીમાં સંયુક્ત માળખામાં વ્યાપારી સિલિકોન સામગ્રીને 8% થી નીચે મર્યાદિત કરે છે.

2024માં બેટરીની કિંમતો 20% ઘટીને $115/kWh થઈ ગઈ હતી, જેમાં એનોડ સામગ્રી કુલ બેટરી ખર્ચના 10-15%નું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે અને ઉત્પાદકો માર્જિન પર સ્પર્ધા કરે છે તેમ કિંમતના દબાણનો અનુભવ કરે છે.

એનોડ મટિરિયલ માર્કેટ 2024માં $3.5 બિલિયનથી વધીને 2034 સુધીમાં $14.7 બિલિયન થવાનો અંદાજ છે, જે ઇલેક્ટ્રિક વાહન અપનાવવા અને ઊર્જા સંગ્રહ વિસ્તરણ દ્વારા સંચાલિત છે.

એલજી એનર્જી સોલ્યુશન અને પોસ્કો ફ્યુચર એમ જેવા અગ્રણી ઉત્પાદકો સાથે 2025-2027 વચ્ચે ઉચ્ચ-સિલિકોન કમ્પોઝીટ અને લિથિયમ મેટલ એનોડ સહિતની આગામી-જનરેશન સામગ્રીઓ વ્યાપારીકરણને લક્ષ્યાંક બનાવે છે.