लिथियम आधारित बैटरियां, चाहे वे सॉलिड-स्टेट बैटरियां हों या पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियां हों, उनकी संरचना समान होती है। बीच में एक विभाजक के साथ दो इलेक्ट्रोड (सकारात्मक और नकारात्मक) होते हैं। चार्जिंग के दौरान, आयन सकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) से नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) की ओर चले जाते हैं, और डिस्चार्जिंग के दौरान, आयन फिर से वापस चले जाते हैं। इलेक्ट्रॉनों के लिए झिल्ली की अभेद्यता के कारण, इलेक्ट्रॉन कनेक्टेड लोड (जैसे कि लैंप) से गुजरेंगे और इसे प्रकाश में लाएंगे (विशेष रूप से सॉलिड-स्टेट बैटरी निर्माण पर अधिक जानकारी के लिए, कृपया यहां देखें)।
इस विवरण का उपयोग यह समझाने के लिए किया जा सकता है कि लोड में करंट क्यों प्रवाहित होता है, लेकिन यह समझने के लिए पर्याप्त नहीं है कि ऊर्जा कहाँ से आती है। इसलिए, बैटरियों के कार्यों पर अधिक गहन शोध करना आवश्यक है।
बैटरी वोल्टेज विंडो
सबसे पहले, यह स्पष्ट करना आवश्यक है कि सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज को क्यों मापा जा सकता है। लिथियम आधारित बैटरियों की वोल्टेज विंडो नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर आंशिक प्रतिक्रियाओं द्वारा परिभाषित की जाती है, और तदनुसार वहां होने वाली प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करती है। बैटरी के दो ध्रुवों पर मापने योग्य वोल्टेज प्रत्येक इलेक्ट्रोड द्वारा उत्पन्न वोल्टेज में अंतर है:
यूओसी=यू-नकारात्मक ध्रुव - यू-धनात्मक ध्रुव
नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड का वोल्टेज एक निश्चित मूल्य नहीं है, बल्कि बैटरी की चार्जिंग स्थिति पर निर्भर करता है। हालाँकि, इलेक्ट्रोड के लिए निश्चित मान अक्सर साहित्य में प्रदान किए जाते हैं (उदाहरण के लिए 3.9 वी का एलसीओ)। ये आमतौर पर औसत वोल्टेज के अनुरूप होते हैं।
चित्र दिखाता है कि नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता से अंतिम बैटरी वोल्टेज कैसे प्राप्त किया जाए (उदाहरण बैटरी एलसीओ|ग्रेफाइट पर प्रदर्शित)। एक्स-अक्ष इलेक्ट्रोड में आनुपातिक रूप से बंधे लिथियम की मात्रा को प्रदर्शित करता है। एक (आदर्श) पूर्ण बैटरी x=1 के लिए, एक खाली बैटरी x=0 के लिए।
बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक टर्मिनलों पर मापने योग्य वोल्टेज लिथियम और इलेक्ट्रोड के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया से उत्पन्न होता है। निम्नलिखित एक उदाहरण के रूप में एलसीओ (लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड) सकारात्मक इलेक्ट्रोड का उपयोग करके अधिक विस्तृत विवरण प्रदान करेगा। चित्र 2 एलसीओ|की डिस्चार्ज प्रक्रिया को दर्शाता है ग्रेफाइट बैटरी. यह लिक्विड इलेक्ट्रोलाइट वाली लिथियम-आयन बैटरी है। सिद्धांत रूप में, यह डिज़ाइन सॉलिड-स्टेट बैटरियों पर भी लागू होता है, हालांकि इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में एलसीओ और शुद्ध ग्रेफाइट असामान्य हैं और आगे विकसित सामग्री (जैसे कि नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में सिलिकॉन ग्रेफाइट और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में एनएमसी811) का उपयोग करते हैं।
वोल्टेज नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड की लिथियम आयन चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न होता है। चित्र में दिखाई गई प्रतिक्रिया सॉलिड-स्टेट बैटरियों पर भी लागू होती है, लेकिन यहां चयनित सामग्रियां विशिष्ट नहीं हैं और केवल संदर्भ के लिए हैं।
डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड से सकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर स्थानांतरित हो जाते हैं। एलसीओ एक स्तरित संरचना वाला एक सकारात्मक इलेक्ट्रोड है। डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड परतों के बीच जुड़ जाता है। लिथियम और कोबाल्ट ऑक्साइड के बीच प्रतिक्रिया समीकरण इस प्रकार है:
CoO2 + e– Li → LiCoO2
बाहरी रूप से मापने योग्य वोल्टेज का उत्पादन स्तरित ऑक्साइड की प्रत्येक परत में लिथियम की अंतर्संबंध प्रतिक्रिया और इस एक्सोथर्मिक प्रक्रिया के दौरान जारी ऊर्जा के कारण होता है। तथाकथित नर्नस्ट समीकरण की सहायता से, बैटरी में पदार्थों की सांद्रता के आधार पर आधे सेल के वोल्टेज की गणना की जा सकती है:
उरेड़ {0}} यू(0,लाल) - (आरटी / (ज़ी एफ)) * एलएन(लाल /ऑक्स)
यू0,लाल: इलेक्ट्रोड क्षमता (इलेक्ट्रोकेमिकल वोल्टेज श्रृंखला तालिका से पढ़ा जा सकता है)
आर: सार्वभौमिक गैस स्थिरांक
टी: तापमान (केल्विन)
ज़ी: स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या: स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या (लिथियम में केवल एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन है, इसलिए यहां यह 1 है)
एफ: फैराडे स्थिरांक
लाल, बैल: विभिन्न रेडॉक्स अभिकारकों की सांद्रता
रेडॉक्स अभिकारकों की सांद्रता इलेक्ट्रोड चार्ज स्थिति के परिवर्तन के साथ बदलती रहती है। इसलिए, उत्पन्न इलेक्ट्रोड वोल्टेज अनिवार्य रूप से इलेक्ट्रोड क्षमता पर निर्भर है, जिसे तापमान और चार्ज स्थिति के आधार पर कैलिब्रेट किया जाता है। यह बताया जाना चाहिए कि बैटरी में कुछ माध्यमिक प्रतिक्रियाएं भी होती हैं, जो उत्पन्न वोल्टेज को भी प्रभावित करती हैं, इसलिए उपरोक्त समीकरण का उपयोग केवल पहले सन्निकटन के रूप में किया जा सकता है।
इलेक्ट्रोड क्षमता पर नर्नस्ट समीकरण की मजबूत निर्भरता के कारण, हम यहां उच्चतम इलेक्ट्रोड क्षमता वाले तत्व का चयन करने का प्रयास करते हैं। आवर्त सारणी के दाईं ओर के तत्व यहां उच्च अनुपात में पहुंच गए हैं क्योंकि तत्वों की आयनिक त्रिज्या कम हो गई है, और इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक की ओर अधिक मजबूती से आकर्षित होते हैं। एक मजबूत परमाणु बल से इलेक्ट्रोड क्षमता में वृद्धि होगी।
यह कनेक्शन यह भी बताता है कि LCO (LixCoO2) और NMC811 का उपयोग सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में क्यों किया जाता है। संक्रमण धातुओं में, ये उच्चतम अर्ध सेल वोल्टेज वाले यौगिक हैं।
वोल्टेज विंडो की सीमाएँ
बैटरी की स्वीकार्य वोल्टेज सीमा न केवल इलेक्ट्रोड से प्रभावित होती है, बल्कि उपयोग किए गए इलेक्ट्रोलाइट की इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो द्वारा भी सीमित होती है। विशेष रूप से तरल इलेक्ट्रोलाइट्स 4.5V से अधिक वोल्टेज का सामना नहीं कर सकते हैं, क्योंकि सकारात्मक इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच परजीवी प्रतिक्रियाएं होती हैं, जिससे इलेक्ट्रोलाइट का विघटन धीमा हो जाता है। सॉलिड स्टेट बैटरियां मध्यम अवधि में इस सीमा को पार करने में सक्षम हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट्स में विशेष रूप से व्यापक वोल्टेज विंडो होती है, जबकि सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स अतिरिक्त सुरक्षात्मक परतों के साथ उच्च वोल्टेज का सामना करने में भी सक्षम हो सकते हैं।
वोल्टेज विंडो की दूसरी महत्वपूर्ण सीमा यह है कि आमतौर पर बैटरी की संपूर्ण भौतिक वोल्टेज विंडो का उपयोग करना संभव नहीं है। एलसीओ कैथोड के लिए, कोबाल्ट परत से लिथियम को 70% से अधिक घोलना असंभव है, क्योंकि इससे कैथोड की यांत्रिक संरचना कमजोर हो जाती है और तेजी से उम्र बढ़ने लगती है। इसलिए, Li/Li+ की तुलना में, LCO बैटरियों का वोल्टेज 4.2V तक सीमित है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड के संदर्भ में, आमतौर पर सभी लिथियम आयनों को हटाना संभव नहीं है, इसलिए कुछ लिथियम आयन अभी भी नकारात्मक इलेक्ट्रोड में रहते हैं, जिससे अधिकतम प्राप्त क्षमता कम हो जाती है।
बैटरी क्षमता का निर्धारण
बैटरी के लिए अधिकतम क्षमता प्रदान करने के लिए, नकारात्मक और सकारात्मक इलेक्ट्रोड को ठीक से समायोजित किया जाना चाहिए ताकि चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, सकारात्मक इलेक्ट्रोड से निकलने वाले सभी लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड संरचना में भंडारण स्थान पा सकें। नकारात्मक इलेक्ट्रोड के आकार और सकारात्मक इलेक्ट्रोड के आकार के बीच के अनुपात को एन/पी अनुपात कहा जाता है, जहां एन नकारात्मक इलेक्ट्रोड के द्रव्यमान अंश का वर्णन करता है और पी सकारात्मक इलेक्ट्रोड के द्रव्यमान अंश का वर्णन करता है। इस तथ्य के कारण कि सकारात्मक इलेक्ट्रोड से निकलने वाले प्रत्येक लिथियम आयन को नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर एक स्थिति ढूंढनी होगी, आकार अनुपात एन/पी ≈ 1. हालांकि, लिथियम आयनों के लिए हमेशा नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर एक स्थिति ढूंढना मुश्किल होता है। तेज़ चार्जिंग के दौरान, लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड (लिथियम प्लेटिंग) पर जमा हो जाते हैं क्योंकि वे नकारात्मक इलेक्ट्रोड संरचना में रिक्त स्थान जल्दी से नहीं ढूंढ पाते हैं। लिथियम प्लेटिंग बैटरियों के मुख्य क्षति तंत्रों में से एक होने के कारण, नकारात्मक इलेक्ट्रोड का अनुपात थोड़ा बढ़ जाता है (एन/पी ≈ 1.04-1.2), ताकि आयनों को निष्क्रिय स्थिति की तलाश न करनी पड़े बहुत लंबा.
विभिन्न सक्रिय सामग्रियों की क्षमता आमतौर पर आह/किग्रा में दी जाती है और इसकी गणना की जा सकती है। गणना केवल सक्रिय सामग्रियों पर विचार करती है। इलेक्ट्रोड सैद्धांतिक क्षमता की गणना में रासायनिक योजक, संपर्क सतहों, सुरक्षात्मक परतों आदि को नजरअंदाज कर दिया जाता है। गणना करते समय, पहले इलेक्ट्रोड सामग्री का द्रव्यमान (किलो/मोल में) निर्धारित करें। इस मान की गणना दाढ़ द्रव्यमान द्वारा की जा सकती है या लुकअप तालिका से प्राप्त की जा सकती है। एलसीओ के लिए, दाढ़ द्रव्यमान 0.09788 किग्रा/मोल है। दूसरे चरण में, एवोगैड्रो स्थिरांक का उपयोग यह गणना करने के लिए किया जा सकता है कि एक किलोग्राम इलेक्ट्रोड सामग्री में कितने अणु मौजूद हैं (एलसीओ के लिए, यह 6.15 * 10 ^ 24 परमाणु प्रति किलोग्राम है)।
क्षार धातु (पहले मुख्य समूह का तत्व) के रूप में, लिथियम में केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकता है। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एक ऋणात्मक मौलिक आवेश e वहन करता है। इसलिए, एक लिथियम परमाणु एक मौलिक चार्ज ई जारी कर सकता है।
क्षमता की गणना करने के लिए, अब यह विचार करना आवश्यक है कि डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, प्रत्येक लिथियम आयन कनेक्टेड लोड के माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित करेगा। इसलिए, क्षमता एक परमाणु द्वारा वहन किए गए आवेश की मात्रा और परमाणुओं की संख्या का उत्पाद है। एलसीओ के लिए, इसका परिणाम 274 एएच/किलोग्राम की क्षमता है। अन्य सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों की क्षमता की गणना भी उसी विधि का उपयोग करके की जा सकती है।
परिकलित मूल्य सैद्धांतिक रूप से प्राप्त ऊर्जा घनत्व का प्रतिनिधित्व करता है, लेकिन यह आमतौर पर वास्तविक मूल्य के बहुत करीब नहीं होता है। उदाहरण के लिए, एलसीओ के लिए, चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान लिथियम का केवल एक हिस्सा हटाया जा सकता है, इसलिए सैद्धांतिक क्षमता का पूरी तरह से उपयोग नहीं किया जाता है, और व्यवहार में प्राप्त मूल्य काफी कम होते हैं। फिर भी, परिकलित डेटा विभिन्न सक्रिय सामग्रियों की तुलना करने के लिए एक अच्छा संकेतक प्रदान करता है।
निष्कर्ष
इस सवाल का जवाब कि लिथियम बैटरी की ऊर्जा वास्तव में कहां से आती है, स्पष्ट है: इसका कारण रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं हैं जो चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान बैटरी में कम या ज्यादा विपरीत रूप से होती हैं। बैटरी की संरचना के कारण, चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रॉनों को चार्जर के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित होने के लिए मजबूर किया जाता है। परिणामी चार्ज स्थानांतरण के कारण लिथियम आयन भी नकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर स्थानांतरित हो जाते हैं। डिस्चार्ज के दौरान, प्रक्रिया उलट जाती है, जिसमें कनेक्टेड लोड के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है और शक्ति संचारित होती है। किसी दिए गए चार्ज अवस्था में बैटरी द्वारा उत्पन्न वोल्टेज की गणना नर्नस्ट समीकरण का उपयोग करके की जा सकती है और यह मुख्य रूप से इलेक्ट्रोड पर लिथियम आयनों की एकाग्रता पर निर्भर करता है। जितने अधिक लिथियम आयन सकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्ष की ओर पलायन करते हैं, सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर उनकी सांद्रता उतनी ही अधिक होती है, और बैटरी वोल्टेज में तदनुसार कमी आती है।
एक बैटरी कितनी ऊर्जा प्रदान कर सकती है यह उसकी क्षमता पर निर्भर करता है। क्षमता एक सामग्री विशिष्ट चर है जिसे सरल समीकरणों का उपयोग करके सामग्री डेटा से सीधे गणना की जा सकती है।
सभी गणना किए गए पैरामीटर सैद्धांतिक (अधिकतम) मूल्यों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिन्हें व्यवहार में हासिल नहीं किया गया है। वोल्टेज इलेक्ट्रोलाइट द्वारा सीमित है, और क्षमता का पूर्ण उपयोग सकारात्मक इलेक्ट्रोड की यांत्रिक स्थिरता को प्रभावित करेगा। इसके अलावा, लिथियम के परजीवी जमाव को रोकने के लिए, हमेशा आवश्यकता से थोड़ा अधिक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री का उपयोग किया जाता है। एक अच्छी डिज़ाइन प्रक्रिया का लक्ष्य व्यावहारिक बैटरी प्राप्त करने के लिए इन सभी प्रभावों को संतुलित करना है जो ऑटोमोटिव उपयोग में सैकड़ों चक्रों का सामना कर सकते हैं। सबसे अच्छी बैटरी हमेशा समझौते का परिणाम होती है।