લિથિયમ-એર બેટરી અને લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના મૂળભૂત સિદ્ધાંતોને સમજવા માટેનો લેખ

01 લિથિયમ-એર બેટરી અને લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી શું છે?

① લિ-એર બેટરી

લિથિયમ-એર બેટરી ઓક્સિજનનો ઉપયોગ હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ રિએક્ટન્ટ તરીકે અને મેટલ લિથિયમને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે કરે છે.તે ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક ઉર્જા ઘનતા (3500wh/kg) ધરાવે છે અને તેની વાસ્તવિક ઉર્જા ઘનતા 500-1000wh/kg સુધી પહોંચી શકે છે, જે પરંપરાગત લિથિયમ-આયન બેટરી સિસ્ટમ કરતા ઘણી વધારે છે.લિથિયમ-એર બેટરીઓ હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સથી બનેલી હોય છે.બિન-જલીય બેટરી સિસ્ટમ્સમાં, શુદ્ધ ઓક્સિજનનો ઉપયોગ હાલમાં પ્રતિક્રિયા ગેસ તરીકે થાય છે, તેથી લિથિયમ-એર બેટરીને લિથિયમ-ઓક્સિજન બેટરી પણ કહી શકાય.

1996 માં, અબ્રાહમ એટ અલ.પ્રયોગશાળામાં પ્રથમ બિન-જલીય લિથિયમ-એર બેટરી સફળતાપૂર્વક એસેમ્બલ કરી.પછી સંશોધકોએ આંતરિક ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયા અને બિન-જલીય લિથિયમ-એર બેટરીની પદ્ધતિ પર ધ્યાન આપવાનું શરૂ કર્યું;2002 માં, રીડ એટ અલ.જાણવા મળ્યું કે લિથિયમ-એર બેટરીનું ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રદર્શન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્રાવક અને એર કેથોડ સામગ્રી પર આધારિત છે;2006 માં, ઓગાસવારા એટ અલ.માસ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કર્યો, તે પ્રથમ વખત સાબિત થયું હતું કે Li2O2 ઓક્સિડાઇઝ્ડ હતો અને ચાર્જિંગ દરમિયાન ઓક્સિજન છોડવામાં આવ્યો હતો, જેણે Li2O2 ની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિવર્સિબિલિટીની પુષ્ટિ કરી હતી.તેથી, લિથિયમ-એર બેટરીઓએ ઘણું ધ્યાન અને ઝડપી વિકાસ મેળવ્યો છે.

② લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી

 લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી એ ઉચ્ચ વિશિષ્ટ ક્ષમતા સલ્ફર (1675mAh/g) અને લિથિયમ મેટલ (3860mAh/g) ની ઉલટાવી શકાય તેવી પ્રતિક્રિયા પર આધારિત ગૌણ બેટરી સિસ્ટમ છે, જેનું સરેરાશ ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ લગભગ 2.15V છે.તેની સૈદ્ધાંતિક ઊર્જા ઘનતા 2600wh/kg સુધી પહોંચી શકે છે.તેના કાચા માલમાં ઓછી કિંમત અને પર્યાવરણીય મિત્રતાના ફાયદા છે, તેથી તેમાં વિકાસની મોટી સંભાવના છે.લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીની શોધ 1960ના દાયકામાં શોધી શકાય છે, જ્યારે હર્બર્ટ અને ઉલમે બેટરી પેટન્ટ માટે અરજી કરી હતી.આ લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના પ્રોટોટાઇપમાં લિથિયમ અથવા લિથિયમ એલોયનો ઉપયોગ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તરીકે, સલ્ફર હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તરીકે અને એલિફેટિક સંતૃપ્ત એમાઇન્સથી બનેલો છે.ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું.થોડા વર્ષો પછી, પીસી, ડીએમએસઓ અને ડીએમએફ જેવા કાર્બનિક દ્રાવકોને રજૂ કરીને લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં સુધારો કરવામાં આવ્યો અને 2.35-2.5V બેટરીઓ મેળવવામાં આવી.1980 ના દાયકાના અંત સુધીમાં, ઇથર લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં ઉપયોગી સાબિત થયા હતા.ત્યારપછીના અભ્યાસોમાં, ઈથર-આધારિત ઈલેક્ટ્રોલાઈટ્સની શોધ, ઈલેક્ટ્રોલાઈટ એડિટિવ તરીકે LiNO3 નો ઉપયોગ અને કાર્બન/સલ્ફર કમ્પોઝિટ પોઝિટિવ ઈલેક્ટ્રોડ્સની દરખાસ્તે લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના સંશોધનની તેજી ખોલી છે.

02 લિથિયમ-એર બેટરી અને લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના કાર્યકારી સિદ્ધાંત

① લિ-એર બેટરી

ઉપયોગમાં લેવાતા ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વિવિધ સ્થિતિઓ અનુસાર, લિથિયમ-એર બેટરીઓને જલીય પ્રણાલીઓ, કાર્બનિક પ્રણાલીઓ, જળ-કાર્બનિક સંકર પ્રણાલીઓ અને ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ-એર બેટરીઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.તેમાંના, પાણી-આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો ઉપયોગ કરીને લિથિયમ-એર બેટરીની ઓછી ચોક્કસ ક્ષમતાને કારણે, લિથિયમ ધાતુને સુરક્ષિત કરવામાં મુશ્કેલીઓ અને સિસ્ટમની નબળી ઉલટાવી શકાય તેવું, બિન-જલીય કાર્બનિક લિથિયમ-એર બેટરીઓ અને ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ-એર. હાલમાં બેટરીનો વધુ ઉપયોગ થાય છે.સંશોધન.બિન-જલીય લિથિયમ-એર બેટરીઓ સૌપ્રથમ 1996 માં અબ્રાહમ અને Z.Jiang દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી હતી. ડિસ્ચાર્જ પ્રતિક્રિયા સમીકરણ આકૃતિ 1 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. ચાર્જિંગ પ્રતિક્રિયા વિપરીત છે.ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મુખ્યત્વે કાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અથવા નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરે છે, અને ડિસ્ચાર્જ ઉત્પાદન મુખ્યત્વે Li2O2 છે, ઉત્પાદન ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં અદ્રાવ્ય છે, અને લિથિયમ-એર બેટરીની ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતાને અસર કરતી એર પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ પર એકઠા કરવામાં સરળ છે.

લિથિયમ-એર બેટરીમાં અતિ-ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા, પર્યાવરણીય મિત્રતા અને નીચી કિંમતના ફાયદા છે, પરંતુ તેમનું સંશોધન હજુ પ્રારંભિક તબક્કામાં છે, અને હજી ઘણી સમસ્યાઓ હલ કરવાની બાકી છે, જેમ કે ઓક્સિજન ઘટાડવાની પ્રતિક્રિયાના ઉત્પ્રેરક, ઓક્સિજન અભેદ્યતા અને હવાના ઇલેક્ટ્રોડ્સની હાઇડ્રોફોબિસિટી, અને એર ઇલેક્ટ્રોડ્સનું નિષ્ક્રિયકરણ વગેરે.

② લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી

લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીઓ મુખ્યત્વે એલિમેન્ટલ સલ્ફર અથવા સલ્ફર-આધારિત સંયોજનોનો ઉપયોગ બેટરીના હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તરીકે કરે છે, અને મેટાલિક લિથિયમનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ માટે થાય છે.ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયા દરમિયાન, નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર સ્થિત મેટલ લિથિયમ ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવા અને લિથિયમ આયનો ઉત્પન્ન કરવા માટે ઓક્સિડાઇઝ્ડ થાય છે;પછી ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે, અને ઉત્પન્ન થયેલ લિથિયમ આયનો પણ પોલિસલ્ફાઇડ બનાવવા માટે સલ્ફર સાથે પ્રતિક્રિયા કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે.લિથિયમ (LiPSs), અને પછી ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયા પૂર્ણ કરવા માટે લિથિયમ સલ્ફાઇડ પેદા કરવા માટે વધુ પ્રતિક્રિયા આપે છે.ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન, LiPSs માં લિથિયમ આયનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર પાછા ફરે છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન લિથિયમ આયનો સાથે લિથિયમ મેટલ બનાવવા માટે બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર પાછા ફરે છે, અને LiPS ને પૂર્ણ કરવા માટે હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર સલ્ફરમાં ઘટાડો થાય છે. ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા.

લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીની ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયા મુખ્યત્વે સલ્ફર કેથોડ પર મલ્ટી-સ્ટેપ, મલ્ટી-ઇલેક્ટ્રોન, મલ્ટિ-ફેઝ જટિલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયા છે અને ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયા દરમિયાન વિવિધ સાંકળ લંબાઈવાળા LiPS એકબીજામાં રૂપાંતરિત થાય છે.ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયા દરમિયાન, હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર જે પ્રતિક્રિયા થઈ શકે છે તે આકૃતિ 2 માં બતાવવામાં આવી છે, અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પરની પ્રતિક્રિયા આકૃતિ 3 માં બતાવવામાં આવી છે.

લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીના ફાયદા ખૂબ જ સ્પષ્ટ છે, જેમ કે ખૂબ ઊંચી સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા;સામગ્રીમાં કોઈ ઓક્સિજન નથી, અને ઓક્સિજન ઉત્ક્રાંતિ પ્રતિક્રિયા થશે નહીં, તેથી સલામતી કામગીરી સારી છે;સલ્ફર સંસાધનો વિપુલ પ્રમાણમાં છે અને નિરંકુશ સલ્ફર સસ્તું છે;તે પર્યાવરણને અનુકૂળ છે અને ઓછી ઝેરી છે.જો કે, લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં કેટલીક પડકારજનક સમસ્યાઓ પણ હોય છે, જેમ કે લિથિયમ પોલિસલ્ફાઇડ શટલ અસર;એલિમેન્ટલ સલ્ફર અને તેના ડિસ્ચાર્જ ઉત્પાદનોનું ઇન્સ્યુલેશન;મોટા વોલ્યુમ ફેરફારોની સમસ્યા;લિથિયમ એનોડ્સને કારણે અસ્થિર SEI અને સલામતી સમસ્યાઓ;સ્વ-સ્રાવની ઘટના, વગેરે.

સેકન્ડરી બેટરી સિસ્ટમની નવી પેઢી તરીકે, લિથિયમ-એર બેટરી અને લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીઓ ખૂબ જ ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક ચોક્કસ ક્ષમતા મૂલ્યો ધરાવે છે, અને તેણે સંશોધકો અને સેકન્ડરી બેટરી માર્કેટનું વ્યાપક ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે.હાલમાં, આ બે બેટરીઓ હજુ પણ ઘણી વૈજ્ઞાનિક અને તકનીકી સમસ્યાઓનો સામનો કરી રહી છે.તેઓ બેટરી વિકાસના પ્રારંભિક સંશોધન તબક્કામાં છે.બેટરી કેથોડ સામગ્રીની ચોક્કસ ક્ષમતા અને સ્થિરતાને વધુ સુધારવાની જરૂર હોવા ઉપરાંત, બેટરી સલામતી જેવા મુખ્ય મુદ્દાઓને પણ તાત્કાલિક ઉકેલવાની જરૂર છે.ભવિષ્યમાં, આ બે નવા પ્રકારની બેટરીઓને વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ ખોલવા માટે તેમની ખામીઓને દૂર કરવા માટે હજુ પણ સતત તકનીકી સુધારણાની જરૂર છે.