موسم سرما آ رہا ہے، لتیم آئن بیٹریوں کے کم درجہ حرارت کے تجزیہ کے رجحان کو دیکھیں

لیتھیم آئن بیٹریوں کی کارکردگی ان کی حرکی خصوصیات سے بہت متاثر ہوتی ہے۔ چونکہ Li+ کو گریفائٹ کے مواد میں سرایت کرنے پر پہلے ناکارہ ہونے کی ضرورت ہوتی ہے، اس لیے اسے ایک خاص مقدار میں توانائی استعمال کرنے اور گریفائٹ میں Li+ کے پھیلاؤ کو روکنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کے برعکس، جب Li+ کو گریفائٹ مواد سے محلول میں چھوڑا جاتا ہے، تو حل کرنے کا عمل پہلے ہوگا، اور حل کرنے کے عمل کو توانائی کی کھپت کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔ Li+ گریفائٹ کو تیزی سے ہٹا سکتا ہے، جس کی وجہ سے گریفائٹ مواد کے چارج کی قبولیت نمایاں طور پر کمزور ہوتی ہے۔ خارج ہونے والی قبولیت میں .

کم درجہ حرارت پر، منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کی حرکی خصوصیات میں بہتری آئی ہے اور بدتر ہو گئی ہے۔ لہذا، منفی الیکٹروڈ کے الیکٹرو کیمیکل پولرائزیشن کو چارج کرنے کے عمل کے دوران نمایاں طور پر تیز کیا جاتا ہے، جو آسانی سے منفی الیکٹروڈ کی سطح پر دھاتی لیتھیم کی بارش کا باعث بن سکتا ہے۔ جرمنی کی ٹیکنیکل یونیورسٹی آف میونخ کے کرسچن وان لڈرز کی تحقیق نے یہ ظاہر کیا ہے کہ -2°C پر، چارج کی شرح C/2 سے تجاوز کر جاتی ہے، اور دھاتی لیتھیم کی بارش کی مقدار میں نمایاں اضافہ ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، C/2 کی شرح پر، مخالف الیکٹروڈ کی سطح پر لتیم چڑھانے کی مقدار پورے چارج کے بارے میں ہے۔ صلاحیت کا 5.5% لیکن 9C میگنیفیکیشن کے تحت 1% تک پہنچ جائے گا۔ تیز دھاتی لتیم مزید نشوونما پا سکتا ہے اور آخر کار لتیم ڈینڈرائٹس بن سکتا ہے، ڈایافرام کے ذریعے چھید کر مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے شارٹ سرکیٹنگ کا باعث بن سکتا ہے۔ اس لیے ضروری ہے کہ جہاں تک ممکن ہو کم درجہ حرارت پر لیتھیم آئن بیٹری کو چارج کرنے سے گریز کیا جائے۔ جب بیٹری کو کم درجہ حرارت پر چارج کرنا ضروری ہے، تو یہ ضروری ہے کہ لتیم آئن بیٹری کو زیادہ سے زیادہ چارج کرنے کے لیے ایک چھوٹا کرنٹ منتخب کیا جائے اور چارج ہونے کے بعد لتیم آئن بیٹری کو مکمل طور پر ذخیرہ کیا جائے تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ دھاتی لیتھیم منفی الیکٹروڈ سے خارج ہوا ہے۔ گریفائٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کر سکتا ہے اور منفی گریفائٹ الیکٹروڈ میں دوبارہ سرایت کر سکتا ہے۔

میونخ کی ٹیکنیکل یونیورسٹی کی ویرونیکا زینتھ اور دیگر نے -20 ° C کے کم درجہ حرارت پر لیتھیم آئن بیٹریوں کے لیتھیم ارتقاء کے رویے کا مطالعہ کرنے کے لیے نیوٹران کے پھیلاؤ اور دیگر طریقوں کا استعمال کیا۔ حالیہ برسوں میں نیوٹران کا پھیلاؤ ایک نیا پتہ لگانے کا طریقہ رہا ہے۔ XRD کے مقابلے میں، نیوٹران کا پھیلاؤ ہلکے عناصر (Li, O, N، وغیرہ) کے لیے زیادہ حساس ہے، اس لیے یہ لیتھیم آئن بیٹریوں کی غیر تباہ کن جانچ کے لیے بہت موزوں ہے۔

تجربے میں، VeronikaZinth نے NMC111/graphite 18650 بیٹری کا استعمال کم درجہ حرارت پر لیتھیم آئن بیٹریوں کے لتیم ارتقاء کے رویے کا مطالعہ کرنے کے لیے کیا۔ ٹیسٹ کے دوران بیٹری نیچے دی گئی تصویر میں دکھائے گئے عمل کے مطابق چارج اور ڈسچارج ہوتی ہے۔

درج ذیل اعداد و شمار C/30 ریٹ چارجنگ پر دوسرے چارجنگ سائیکل کے دوران مختلف SoCs کے تحت منفی الیکٹروڈ کے مرحلے میں تبدیلی کو ظاہر کرتا ہے۔ ایسا لگتا ہے کہ 30.9% SoC پر، منفی الیکٹروڈ کے مراحل بنیادی طور پر LiC12، Li1-XC18، اور LiC6 کمپوزیشن کی تھوڑی مقدار میں ہوتے ہیں۔ SoC کے 46% سے تجاوز کرنے کے بعد، LiC12 کے پھیلاؤ کی شدت میں کمی ہوتی رہتی ہے، جبکہ LiC6 کی طاقت میں اضافہ ہوتا رہتا ہے۔ تاہم، حتمی چارج مکمل ہونے کے بعد بھی، چونکہ کم درجہ حرارت پر صرف 1503mAh چارج کیا جاتا ہے (کمرے کے درجہ حرارت پر صلاحیت 1950mAh ہے)، LiC12 منفی الیکٹروڈ میں موجود ہے۔ فرض کریں کہ چارج کرنٹ C/100 تک کم ہو گیا ہے۔ اس صورت میں، بیٹری اب بھی کم درجہ حرارت پر 1950mAh کی صلاحیت حاصل کر سکتی ہے، جو اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ کم درجہ حرارت پر لیتھیم آئن بیٹریوں کی طاقت میں کمی بنیادی طور پر حرکی حالات کے بگڑنے کی وجہ سے ہے۔

نیچے کی تصویر -5 ° C کے کم درجہ حرارت پر C/20 کی شرح کے مطابق چارجنگ کے دوران منفی الیکٹروڈ میں گریفائٹ کے مرحلے میں تبدیلی کو ظاہر کرتی ہے۔ یہ دیکھ سکتا ہے کہ گریفائٹ کی فیز تبدیلی C/30 ریٹ چارجنگ کے مقابلے میں نمایاں طور پر مختلف ہے۔ یہ اعداد و شمار سے دیکھا جا سکتا ہے کہ جب SoC>40%، C/12 چارج ریٹ کے تحت بیٹری LiC5 کی فیز طاقت نمایاں طور پر کم ہوتی ہے، اور LiC6 فیز کی طاقت میں اضافہ بھی C/30 کے مقابلے میں کافی کمزور ہوتا ہے۔ چارج کی شرح یہ ظاہر کرتا ہے کہ C/5 کی نسبتاً زیادہ شرح پر، کم LiC12 لتیم کو انٹرکیلیٹ کرنا جاری رکھتا ہے اور LiC6 میں تبدیل ہو جاتا ہے۔

نیچے دی گئی تصویر بالترتیب C/30 اور C/5 کی شرحوں پر چارج کرتے وقت منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کے مرحلے میں ہونے والی تبدیلیوں کا موازنہ کرتی ہے۔ اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ چارجنگ کی دو مختلف شرحوں کے لیے، لیتھیم غریب مرحلہ Li1-XC18 بہت مماثل ہے۔ فرق بنیادی طور پر LiC12 اور LiC6 کے دو مراحل میں ظاہر ہوتا ہے۔ یہ اعداد و شمار سے دیکھا جا سکتا ہے کہ منفی الیکٹروڈ میں مرحلے کی تبدیلی کا رجحان دو چارج کی شرحوں کے تحت چارج کرنے کے ابتدائی مرحلے میں نسبتا قریب ہے. LiC12 مرحلے کے لیے، جب چارج کرنے کی صلاحیت 950mAh (49% SoC) تک پہنچ جاتی ہے، تو بدلتا ہوا رجحان مختلف نظر آنے لگتا ہے۔ جب یہ 1100mAh (56.4% SoC) آتا ہے، تو دو میگنیفیکیشنز کے تحت LiC12 مرحلہ ایک اہم فرق دکھانا شروع کر دیتا ہے۔ C/30 کی کم شرح پر چارج کرنے پر، LiC12 مرحلے کا زوال بہت تیزی سے ہوتا ہے، لیکن C/12 کی شرح پر LiC5 مرحلے کا گرنا بہت سست ہوتا ہے۔ یعنی منفی الیکٹروڈ میں لیتھیم داخل کرنے کی حرکی حالتیں کم درجہ حرارت پر بگڑ جاتی ہیں۔ ، تاکہ LiC12 مزید انٹرکیلیٹس لتیم پیدا کرنے کے لئے LiC6 مرحلے کی رفتار میں کمی واقع ہوئی ہے۔ اسی طرح، LiC6 مرحلہ C/30 کی کم شرح پر بہت تیزی سے بڑھتا ہے لیکن C/5 کی شرح سے بہت سست ہے۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ C/5 کی شرح پر، گریفائٹ کے کرسٹل ڈھانچے میں زیادہ petite Li سرایت کرتا ہے، لیکن دلچسپ بات یہ ہے کہ C/1520.5 چارج ریٹ پر بیٹری کی چارج کرنے کی صلاحیت (5mAh) C سے زیادہ ہے۔ /30 چارج کی شرح۔ پاور (1503.5mAh) زیادہ ہے۔ اضافی لی جو منفی گریفائٹ الیکٹروڈ میں سرایت نہیں کرتا ہے، ممکنہ طور پر دھاتی لتیم کی شکل میں گریفائٹ کی سطح پر جمع ہو جاتا ہے۔ چارجنگ ختم ہونے کے بعد کھڑے ہونے کا عمل بھی اس طرف سے ثابت کرتا ہے۔

مندرجہ ذیل اعداد و شمار منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کے فیز ڈھانچے کو چارج کرنے کے بعد اور 20 گھنٹے تک چھوڑے جانے کے بعد دکھاتا ہے۔ چارجنگ کے اختتام پر، منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کا مرحلہ دو چارجنگ ریٹ کے تحت بہت مختلف ہوتا ہے۔ C/5 پر، گریفائٹ اینوڈ میں LiC12 کا تناسب زیادہ ہے، اور LiC6 کا فیصد کم ہے، لیکن 20 گھنٹے کھڑے رہنے کے بعد، دونوں کے درمیان فرق کم سے کم ہو گیا ہے۔

نیچے دی گئی تصویر 20h اسٹوریج کے عمل کے دوران منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کے مرحلے میں تبدیلی کو ظاہر کرتی ہے۔ یہ اعداد و شمار سے دیکھا جا سکتا ہے کہ اگرچہ شروع میں دو مخالف الیکٹروڈ کے مراحل اب بھی بہت مختلف ہیں، جیسے جیسے اسٹوریج کا وقت بڑھتا ہے، چارجنگ کی دو قسمیں میگنیفیکیشن کے نیچے گریفائٹ اینوڈ کا مرحلہ بہت قریب سے بدل گیا ہے۔ شیلفنگ کے عمل کے دوران LiC12 LiC6 میں تبدیل ہونا جاری رکھ سکتا ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ شیلفنگ کے عمل کے دوران Li گریفائٹ میں سرایت کرتا رہے گا۔ لی کا یہ حصہ ممکنہ طور پر کم درجہ حرارت پر منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کی سطح کو دھاتی لتیم سے خارج کر دیتا ہے۔ مزید تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ C/30 کی شرح پر چارجنگ کے اختتام پر، منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کے لیتھیم انٹرکلیشن کی ڈگری 68% تھی۔ پھر بھی، شیلفنگ کے بعد لیتھیم انٹرکلیشن کی ڈگری بڑھ کر 71 فیصد ہوگئی، جو کہ 3 فیصد کا اضافہ ہے۔ C/5 کی شرح پر چارجنگ کے اختتام پر، منفی گریفائٹ الیکٹروڈ کی لیتھیم داخل کرنے کی ڈگری 58% تھی، لیکن 20 گھنٹے کے لیے چھوڑے جانے کے بعد، یہ بڑھ کر 70% ہو گئی، مجموعی طور پر 12% کا اضافہ۔

مندرجہ بالا تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ کم درجہ حرارت پر چارج کرتے وقت، کائنےٹک حالات کے بگڑنے کی وجہ سے بیٹری کی صلاحیت کم ہو جائے گی۔ یہ گریفائٹ لتیم داخل کرنے کی شرح میں کمی کی وجہ سے منفی الیکٹروڈ کی سطح پر لتیم دھات کو بھی تیز کرے گا۔ تاہم، ذخیرہ کرنے کی مدت کے بعد، دھاتی لتیم کا یہ حصہ دوبارہ گریفائٹ میں سرایت کر سکتا ہے۔ اصل استعمال میں، شیلف کا وقت اکثر کم ہوتا ہے، اور اس بات کی کوئی گارنٹی نہیں ہے کہ تمام دھاتی لتیم دوبارہ گریفائٹ میں سرایت کر سکتے ہیں، لہذا یہ منفی الیکٹروڈ میں کچھ دھاتی لتیم کی موجودگی کا سبب بن سکتا ہے۔ لتیم آئن بیٹری کی سطح لتیم آئن بیٹری کی صلاحیت کو متاثر کرے گی اور لتیم ڈینڈرائٹس پیدا کرسکتی ہے جو لیتھیم آئن بیٹری کی حفاظت کو خطرے میں ڈالتی ہے۔ لہذا، کم درجہ حرارت پر لیتھیم آئن بیٹری کو چارج کرنے سے بچنے کی کوشش کریں۔ کم کرنٹ، اور سیٹنگ کے بعد، منفی گریفائٹ الیکٹروڈ میں دھاتی لیتھیم کو ختم کرنے کے لیے کافی شیلف ٹائم کو یقینی بنائیں۔

یہ مضمون بنیادی طور پر درج ذیل دستاویزات کا حوالہ دیتا ہے۔ رپورٹ کا استعمال صرف متعلقہ سائنسی کاموں، کلاس روم کی تدریس، اور سائنسی تحقیق کو متعارف کرانے اور ان کا جائزہ لینے کے لیے کیا جاتا ہے۔ تجارتی استعمال کے لیے نہیں۔ اگر آپ کے پاس کاپی رائٹ کے مسائل ہیں، تو براہ کرم ہم سے بلا جھجھک رابطہ کریں۔

1. لیتھیم آئن کیپسیٹرز میں منفی الیکٹروڈ کے طور پر گریفائٹ مواد کی شرح کی صلاحیت، الیکٹروچیمیکا ایکٹا 55 (2010) 3330 - 3335، SRSivakkumar، JY Nerkar، AG Pandolfo

2. لیتھیم آئن بیٹریوں میں لیتھیم چڑھانا وولٹیج میں نرمی اور سیٹو نیوٹران ڈفریکشن کے ذریعے جانچ پڑتال، جرنل آف پاور سورسز 342(2017)17-23، کرسچن وون لڈرز، ویرونیکا زینتھ، سائمن وی ایرہارڈ، پیٹرک جے اوسوالڈ، مائیکل ہوفمین ، رالف گیلس، اینڈریاس جوسن

3. ذیلی محیطی درجہ حرارت پر لیتھیم آئن بیٹریوں میں لیتھیم چڑھانا جس کی تحقیقات ان سیٹو نیوٹران ڈفریکشن، جرنل آف پاور سورسز 271 (2014) 152-159، ویرونیکا زینتھ، کرسچن وان لڈرز، مائیکل ہوفمین، جوہانس ہیٹنڈورف، ارمگرڈورف، ارمگرڈورف ایرہارڈ، جوانا ریبیلو کورنمیر، آندریاس جوسن، رالف گیلس