लिथियम-आयन बैटरी या ली-आयन बैटरी (एलआईबी के रूप में संक्षिप्त) एक प्रकार की रिचार्जेबल बैटरी है।लिथियम-आयन बैटरी आमतौर पर पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उपयोग की जाती हैं और सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए लोकप्रियता में बढ़ रही हैं।1970-1980 के दशक के दौरान जॉन गुडएनफ, एम. स्टेनली व्हिटिंगम, रचिड याज़ामी और कोइची मिज़ुशिमा के पहले के शोध के आधार पर, 1985 में अकीरा योशिनो द्वारा एक प्रोटोटाइप ली-आयन बैटरी विकसित की गई थी, और फिर एक वाणिज्यिक ली-आयन बैटरी विकसित की गई थी। 1991 में योशियो निशी के नेतृत्व में सोनी और असाही केसी टीम। 2019 में, रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार योशिनो, गुडएनफ और व्हिटिंघम को "लिथियम आयन बैटरी के विकास के लिए" दिया गया था।

बैटरी में, लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड से इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से डिस्चार्ज के दौरान सकारात्मक इलेक्ट्रोड में चले जाते हैं, और चार्ज करते समय वापस आ जाते हैं।ली-आयन बैटरी सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर सामग्री के रूप में एक इंटरकलेटेड लिथियम यौगिक का उपयोग करती है और आमतौर पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर ग्रेफाइट का उपयोग करती है।बैटरियों में उच्च ऊर्जा घनत्व, कोई स्मृति प्रभाव (एलएफपी कोशिकाओं के अलावा) और कम स्व-निर्वहन होता है।हालांकि वे सुरक्षा के लिए खतरा हो सकते हैं क्योंकि उनमें ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट्स होते हैं, और अगर क्षतिग्रस्त या गलत तरीके से चार्ज किया जाता है तो विस्फोट और आग लग सकती है।लिथियम-आयन आग के बाद सैमसंग को गैलेक्सी नोट 7 हैंडसेट को वापस बुलाने के लिए मजबूर किया गया था, और बोइंग 787 पर बैटरी से जुड़ी कई घटनाएं हुई हैं।

रसायन विज्ञान, प्रदर्शन, लागत और सुरक्षा विशेषताएँ LIB प्रकारों में भिन्न होती हैं।हैंडहेल्ड इलेक्ट्रॉनिक्स ज्यादातर कैथोड सामग्री के रूप में लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2) के साथ लिथियम पॉलीमर बैटरी (इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एक पॉलीमर जेल के साथ) का उपयोग करते हैं, जो उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान करता है, लेकिन सुरक्षा जोखिम प्रस्तुत करता है, खासकर जब क्षतिग्रस्त हो।लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4), लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn2O4, Li2MnO3, या LMO), और लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (LiNiMnCoO2 या NMC) कम ऊर्जा घनत्व प्रदान करते हैं लेकिन लंबे समय तक जीवित रहते हैं और आग या विस्फोट की संभावना कम होती है।ऐसी बैटरियों का व्यापक रूप से विद्युत उपकरण, चिकित्सा उपकरण और अन्य भूमिकाओं के लिए उपयोग किया जाता है।एनएमसी और इसके डेरिवेटिव का व्यापक रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग किया जाता है।

लिथियम-आयन बैटरी के लिए अनुसंधान क्षेत्रों में जीवनकाल बढ़ाना, ऊर्जा घनत्व बढ़ाना, सुरक्षा में सुधार करना, लागत कम करना और चार्जिंग गति बढ़ाना शामिल हैं।विशिष्ट इलेक्ट्रोलाइट में प्रयुक्त कार्बनिक सॉल्वैंट्स की ज्वलनशीलता और अस्थिरता के आधार पर बढ़ी हुई सुरक्षा के मार्ग के रूप में गैर-ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट्स के क्षेत्र में अनुसंधान चल रहा है।रणनीतियों में जलीय लिथियम-आयन बैटरी, सिरेमिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स, बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स, आयनिक तरल पदार्थ, और भारी फ्लोरिनेटेड सिस्टम शामिल हैं।

बैटरी बनाम सेल

एक सेल एक बुनियादी विद्युत रासायनिक इकाई है जिसमें इलेक्ट्रोड, विभाजक और इलेक्ट्रोलाइट होते हैं।

बैटरी या बैटरी पैक नियंत्रण और सुरक्षा के लिए आवास, विद्युत कनेक्शन और संभवतः इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ कोशिकाओं या सेल असेंबलियों का एक संग्रह है।

एनोड और कैथोड इलेक्ट्रोड
रिचार्जेबल कोशिकाओं के लिए, एनोड (या नकारात्मक इलेक्ट्रोड) शब्द उस इलेक्ट्रोड को निर्दिष्ट करता है जहां निर्वहन चक्र के दौरान ऑक्सीकरण हो रहा है;दूसरा इलेक्ट्रोड कैथोड (या धनात्मक इलेक्ट्रोड) है।चार्ज चक्र के दौरान, सकारात्मक इलेक्ट्रोड एनोड बन जाता है और नकारात्मक इलेक्ट्रोड कैथोड बन जाता है।अधिकांश लिथियम-आयन कोशिकाओं के लिए, लिथियम-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड सकारात्मक इलेक्ट्रोड है;टाइटेनेट लिथियम-आयन कोशिकाओं (एलटीओ) के लिए, लिथियम-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड नकारात्मक इलेक्ट्रोड है।

इतिहास

पृष्ठभूमि

वर्टा लिथियम-आयन बैटरी, म्यूज़ियम ऑटोविज़न, Altlussheim, जर्मनी
1970 के दशक में एक्सॉन के लिए काम करते हुए, लिथियम बैटरी का प्रस्ताव ब्रिटिश रसायनज्ञ और रसायन विज्ञान के लिए 2019 के नोबेल पुरस्कार के सह-प्राप्तकर्ता एम. स्टेनली व्हिटिंगम द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जो अब बिंघमटन विश्वविद्यालय में हैं।व्हिटिंगम ने इलेक्ट्रोड के रूप में टाइटेनियम (IV) सल्फाइड और लिथियम धातु का इस्तेमाल किया।हालाँकि, इस रिचार्जेबल लिथियम बैटरी को कभी भी व्यावहारिक नहीं बनाया जा सका।टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड एक खराब विकल्प था, क्योंकि इसे पूरी तरह से सीलबंद परिस्थितियों में संश्लेषित किया जाना है, यह भी काफी महंगा है (1970 के दशक में टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड कच्चे माल के लिए ~ 1,000 डॉलर प्रति किलोग्राम)।हवा के संपर्क में आने पर, टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड हाइड्रोजन सल्फाइड यौगिक बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है, जिसमें एक अप्रिय गंध होता है और अधिकांश जानवरों के लिए विषाक्त होता है।इसके लिए, और अन्य कारणों से, एक्सॉन ने व्हिटिंगम की लिथियम-टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड बैटरी का विकास बंद कर दिया।[28]धातु लिथियम इलेक्ट्रोड वाली बैटरियों ने सुरक्षा मुद्दों को प्रस्तुत किया, क्योंकि लिथियम धातु पानी के साथ प्रतिक्रिया करती है, ज्वलनशील हाइड्रोजन गैस छोड़ती है।नतीजतन, अनुसंधान बैटरी विकसित करने के लिए चला गया जिसमें, धातु लिथियम के बजाय, केवल लिथियम यौगिक मौजूद हैं, जो लिथियम आयनों को स्वीकार करने और जारी करने में सक्षम हैं।

ग्रेफाइट में उत्क्रमणीय अंतर्संयोजन और कैथोडिक ऑक्साइड में अंतर्संयोजन की खोज 1974-76 के दौरान टीयू म्यूनिख में जो बेसेनहार्ड द्वारा की गई थी।बेसनहार्ड ने लिथियम कोशिकाओं में अपने आवेदन का प्रस्ताव रखा।ग्रेफाइट में इलेक्ट्रोलाइट अपघटन और विलायक सह-संयोजन बैटरी जीवन के लिए गंभीर प्रारंभिक कमियां थीं।

विकास

1973 - एडम हेलर ने लिथियम थियोनिल क्लोराइड बैटरी का प्रस्ताव रखा, जिसका उपयोग अभी भी प्रत्यारोपित चिकित्सा उपकरणों और रक्षा प्रणालियों में किया जाता है, जहां 20 साल से अधिक की शेल्फ लाइफ, उच्च ऊर्जा घनत्व और / या अत्यधिक ऑपरेटिंग तापमान के लिए सहिष्णुता की आवश्यकता होती है।
1977 - समर बसु ने पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय में ग्रेफाइट में लिथियम के इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरकलेशन का प्रदर्शन किया।इसने लिथियम मेटल इलेक्ट्रोड बैटरी का विकल्प प्रदान करने के लिए बेल लैब्स (LiC6) में एक व्यावहारिक लिथियम इंटरकलेटेड ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड का विकास किया।
1979 - अलग-अलग समूहों में काम करते हुए, नेड ए। गॉडशॉल एट अल।, और, उसके तुरंत बाद, जॉन बी। गुडएनफ (ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी) और कोइची मिज़ुशिमा (टोक्यो यूनिवर्सिटी) ने लिथियम का उपयोग करके 4 वी रेंज में वोल्टेज के साथ एक रिचार्जेबल लिथियम सेल का प्रदर्शन किया। कोबाल्ट डाइऑक्साइड (LiCoO2) सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में और लिथियम धातु नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में।इस नवाचार ने सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री प्रदान की जिसने प्रारंभिक वाणिज्यिक लिथियम बैटरी को सक्षम किया।LiCoO2 एक स्थिर सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री है जो लिथियम आयनों के दाता के रूप में कार्य करती है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग लिथियम धातु के अलावा किसी अन्य नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ किया जा सकता है।स्थिर और आसान-से-संभाल नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के उपयोग को सक्षम करके, LiCoO2 ने उपन्यास रिचार्जेबल बैटरी सिस्टम को सक्षम किया।गॉडशाल एट अल।आगे टर्नरी यौगिक लिथियम-संक्रमण धातु-ऑक्साइड के समान मूल्य की पहचान की जैसे स्पिनल LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, और LiFe5O4 (और बाद में लिथियम-कॉपर-ऑक्साइड और लिथियम-निकल-ऑक्साइड कैथोड सामग्री 1985 में)
1980 - रचिद याज़ामी ने ग्रेफाइट में लिथियम के प्रतिवर्ती विद्युत रासायनिक अंतःक्षेपण का प्रदर्शन किया, और लिथियम ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड (एनोड) का आविष्कार किया।उस समय उपलब्ध कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड के साथ चार्ज करने के दौरान विघटित हो जाएंगे।याज़मी ने यह प्रदर्शित करने के लिए एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया कि लिथियम को एक विद्युत रासायनिक तंत्र के माध्यम से ग्रेफाइट में उलट दिया जा सकता है।2011 तक, याज़मी का ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरी में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला इलेक्ट्रोड था।
नकारात्मक इलेक्ट्रोड की उत्पत्ति टोकियो यामाबे द्वारा खोजी गई पीएएस (पॉलीएसेनिक अर्धचालक सामग्री) में हुई है और बाद में 1980 के दशक की शुरुआत में शजुकुनी याटा द्वारा की गई थी।इस तकनीक का बीज प्रोफेसर हिदेकी शिराकावा और उनके समूह द्वारा प्रवाहकीय पॉलिमर की खोज थी, और इसे एलन मैकडिर्मिड और एलन जे। हेगर एट अल द्वारा विकसित पॉलीएसिटिलीन लिथियम आयन बैटरी से शुरू होने के रूप में भी देखा जा सकता है।
1982 - गॉडशाल एट अल।लीथियम बैटरियों में कैथोड के रूप में LiCoO2 के उपयोग के लिए 4,340,652 अमेरिकी पेटेंट प्राप्त हुए थे, जो गॉडशैल के स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के पीएच.डी. पर आधारित है।शोध प्रबंध और 1979 प्रकाशन।
1983 - माइकल एम. ठाकरे, पीटर ब्रूस, विलियम डेविड और जॉन गुडएनफ ने लिथियम आयन बैटरी के लिए व्यावसायिक रूप से प्रासंगिक चार्ज कैथोड सामग्री के रूप में मैंगनीज स्पिनल विकसित किया।
1985 - अकीरा योशिनो ने कार्बनयुक्त सामग्री का उपयोग करके एक प्रोटोटाइप सेल को इकट्ठा किया जिसमें लिथियम आयनों को एक इलेक्ट्रोड के रूप में और लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2) को दूसरे के रूप में डाला जा सकता था।इसने नाटकीय रूप से सुरक्षा में सुधार किया।LiCoO2 ने औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन को सक्षम किया और वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरी को सक्षम किया।
1989 - अरुमुगम मंथिराम और जॉन बी। गुडएनफ ने कैथोड के पोलियनियन वर्ग की खोज की।उन्होंने दिखाया कि पॉलीअनियन युक्त सकारात्मक इलेक्ट्रोड, जैसे, सल्फेट्स, पॉलीअन के आगमनात्मक प्रभाव के कारण ऑक्साइड की तुलना में अधिक वोल्टेज उत्पन्न करते हैं।इस पॉलीअनियन वर्ग में लिथियम आयरन फॉस्फेट जैसी सामग्री होती है।

<जारी रखना है...>