लिथियम-आयन बैटरी क्या है और यह कैसे काम करती है?

लिथियम-आयन बैटरी क्या है?

लिथियम-आयन बैटरी या Li-ion बैटरी एक प्रकार की रिचार्जेबल (rechargeable) बैटरी है। लिथियम इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी), लैपटॉप और मोबाइल आदि को बिजली देने के लिए उपयोग की जाने वाली लिथियम-आयन बैटरी के निर्माण में एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में कार्य करता है।

लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, दूरसंचार, एयरोस्पेस, औद्योगिक अनुप्रयोगों, इलेक्ट्रिक और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में किया जाता है।

लिथियम-आयन (Li-ion) बैटरी एक उन्नत बैटरी तकनीक है जो लिथियम आयनों को अपने इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के प्रमुख घटक के रूप में उपयोग करती है। डिस्चार्ज चक्र के दौरान, एनोड में लिथियम परमाणु आयनित होते हैं और उनके इलेक्ट्रॉनों से अलग हो जाते हैं। लिथियम आयन एनोड से चलते हैं और इलेक्ट्रोलाइट से तब तक गुजरते हैं जब तक वे कैथोड तक नहीं पहुंच जाते, जहां वे अपने इलेक्ट्रॉनों के साथ पुनर्संयोजन करते हैं और विद्युत रूप से बेअसर हो जाते हैं।

लिथियम आयन एनोड और कैथोड के बीच एक सूक्ष्म पारगम्य विभाजक के माध्यम से स्थानांतरित करने में सक्षम होने के लिए काफी छोटे हैं। आंशिक रूप से लिथियम के छोटे आकार (हाइड्रोजन और हीलियम के बाद तीसरा) के कारण, ली-आयन बैटरी प्रति यूनिट द्रव्यमान और इकाई मात्रा में बहुत अधिक वोल्टेज और चार्ज स्टोरेज रखने में सक्षम हैं।

Li-ion बैटरी इलेक्ट्रोड के रूप में कई विभिन्न सामग्रियों का उपयोग कर सकती है। सबसे आम संयोजन लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (कैथोड) और ग्रेफाइट (एनोड) है, जो आमतौर पर पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे सेलफोन और लैपटॉप में पाया जाता है। अन्य कैथोड सामग्री में लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (हाइब्रिड इलेक्ट्रिक और इलेक्ट्रिक ऑटोमोबाइल में प्रयुक्त) और लिथियम आयरन फॉस्फेट शामिल हैं। ली-आयन बैटरी आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइट के रूप में ईथर (कार्बनिक यौगिकों का एक वर्ग) का उपयोग करती हैं।

Li-ion बैटरी के फायदे क्या हैं?

अन्य उच्च गुणवत्ता वाली रिचार्जेबल बैटरी प्रौद्योगिकियों (निकल-कैडमियम या निकल-धातु-हाइड्राइड) की तुलना में, ली-आयन बैटरी के कई फायदे हैं। उनके पास आज किसी भी बैटरी तकनीक की उच्चतम ऊर्जा घनत्व है (100-265 Wh/kg या 250-670 Wh/L)। इसके अलावा, ली-आयन बैटरी सेल 3.6 वोल्ट तक वितरित कर सकते हैं, जो नी-सीडी या नी-एमएच जैसी तकनीकों की तुलना में 3 गुना अधिक है। इसका मतलब यह है कि वे उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए बड़ी मात्रा में करंट वितरित कर सकते हैं, जिसमें ली-आयन बैटरी भी तुलनात्मक रूप से कम रखरखाव वाली होती हैं, और उन्हें अपने बैटरी जीवन को बनाए रखने के लिए अनुसूचित साइकिल चलाने की आवश्यकता नहीं होती है।

ली-आयन बैटरी का कोई स्मृति प्रभाव नहीं होता है, एक हानिकारक प्रक्रिया जहां बार-बार आंशिक डिस्चार्ज/चार्ज चक्र बैटरी को कम क्षमता को ‘याद’ रखने का कारण बन सकता है। यह Ni-Cd और Ni-MH दोनों पर एक फायदा है, जो इस प्रभाव को प्रदर्शित करता है। ली-आयन बैटरी में प्रति माह लगभग 1.5-2% की कम स्व-निर्वहन दर भी होती है। उनमें विषाक्त कैडमियम नहीं होता है, जो उन्हें Ni-Cd बैटरियों की तुलना में निपटाने में आसान बनाता है।

इन फायदों के कारण, ली-आयन बैटरी ने पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (जैसे स्मार्टफोन और लैपटॉप) में बाजार के नेता के रूप में नी-सीडी बैटरी को विस्थापित कर दिया है। कुछ एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए विद्युत प्रणालियों को बिजली देने के लिए ली-आयन बैटरी का भी उपयोग किया जाता है, जो नए और अधिक पर्यावरण के अनुकूल बोइंग 787 में उल्लेखनीय है, जहां वजन एक महत्वपूर्ण लागत कारक है। स्वच्छ ऊर्जा के दृष्टिकोण से, ली-आयन प्रौद्योगिकी का अधिकांश वादा बैटरी से चलने वाली कारों में उनके संभावित अनुप्रयोगों से आता है। वर्तमान में, सबसे अधिक बिकने वाली इलेक्ट्रिक कारें, निसान लीफ और टेस्ला मॉडल एस, दोनों अपने प्राथमिक ईंधन स्रोत के रूप में ली-आयन बैटरी का उपयोग करती हैं।

Li-ion बैटरी के नुकसान क्या हैं?

उनके तकनीकी वादे के बावजूद, ली-आयन बैटरी में अभी भी कई कमियां हैं, खासकर सुरक्षा के संबंध में। ली-आयन बैटरी में ज़्यादा गरम होने की प्रवृत्ति होती है, और उच्च वोल्टेज पर क्षतिग्रस्त हो सकती है। कुछ मामलों में इससे थर्मल भगोड़ा और दहन हो सकता है। इसने महत्वपूर्ण समस्याएं पैदा कर दी हैं, विशेष रूप से बोइंग 787 बेड़े की ग्राउंडिंग ऑनबोर्ड बैटरी आग की सूचना के बाद। इन बैटरियों से जुड़े जोखिमों के कारण, कई शिपिंग कंपनियां विमान द्वारा बैटरियों के थोक शिपमेंट को करने से मना कर देती हैं।

ली-आयन बैटरियों को वोल्टेज और आंतरिक दबावों को सीमित करने के लिए सुरक्षा तंत्र की आवश्यकता होती है, जो कुछ मामलों में वजन और प्रदर्शन को सीमित कर सकता है। ली-आयन बैटरी भी उम्र बढ़ने के अधीन हैं, जिसका अर्थ है कि वे क्षमता खो सकते हैं और कई वर्षों के बाद अक्सर विफल हो जाते हैं। उनके व्यापक रूप से अपनाने को सीमित करने वाला एक अन्य कारक उनकी लागत है, जो Ni-Cd की तुलना में लगभग 40% अधिक है।

प्रौद्योगिकी में वर्तमान शोध के लिए इन मुद्दों को संबोधित करना एक प्रमुख घटक है। अंत में, अन्य प्रकार की बैटरियों की तुलना में ली-आयन की उच्च ऊर्जा घनत्व के बावजूद, वे अभी भी गैसोलीन की तुलना में लगभग सौ गुना कम ऊर्जा घनत्व वाले हैं (जिसमें द्रव्यमान द्वारा 12,700 Wh/kg या मात्रा के अनुसार 8760 Wh/L होता है)।

अन्य फोकस

सीईआई के अधिकांश वर्तमान शोध में ली-आयन बैटरी की महत्वपूर्ण आंतरिक स्थितियों को बेहतर ढंग से समझने और उनमें हेरफेर करने के तरीके विकसित करना शामिल है। बैटरी के आंतरिक कामकाज को समझना डिजाइन में सुधार और इसके विफलता मोड का मूल्यांकन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

सीईआई अनुसंधान के एक अन्य बड़े घटक में बैटरी प्रदर्शन में सुधार के लिए नई सामग्री का विकास शामिल है। सीईआई के फोकस में उच्च स्तरीय सामग्री विज्ञान दोनों शामिल हैं, जैसे ली-आयन बैटरी में वैकल्पिक सामग्रियों का विकास और प्रतिस्थापन, साथ ही नैनो-संरचित सामग्री के लक्षण वर्णन और डिजाइन, या सामग्री जिनके गुण नैनो-स्केल परिशुद्धता पर भी निर्धारित होते हैं . सीईआई के शोधकर्ता उन सामग्रियों की भी खोज कर रहे हैं जो ली-आयन बैटरी प्रौद्योगिकियों के विकल्प पेश कर सकती हैं।

सिलिकॉन को एनोड सामग्री के रूप में जांचा जा रहा है क्योंकि यह एक 3D पिंजरे का निर्माण कर सकता है जिसमें लिथियम को अवशोषित करने की अधिक क्षमता होती है।