हाल के वर्षों में, मोबाइल ऊर्जा स्रोतों में सुधार का प्रश्न अधिक तीव्र हो गया है - एक वैश्विक और रोजमर्रा की समस्या। वैश्विक पक्ष यह है कि मानवता को अपने किसी भी रूप में ऊर्जा की सख्त आवश्यकता है, बिजली को स्वतंत्र रूप से परिवर्तनीय के रूप में चुना है। इसका कारण बिजली से किसी अन्य को हस्तांतरण के दौरान अपेक्षाकृत कम नुकसान है, साथ ही उत्पादन बिंदु (पावर प्लांट) से स्टेशनरी खपत बिंदु (पावर आउटलेट) तक कम संचरण नुकसान। बिजली का मुख्य स्रोत आज टीपीपी में गैर-नवीकरणीय हाइड्रोकार्बन ईंधन का जलना है, जो हर साल कम और कम होता है, और कीमत अधिक होती है। पर्यावरण के लिए मुख्य नुकसान फिर भी थर्मल पावर प्लांटों के कारण नहीं है, लेकिन कारों के आंतरिक दहन इंजनों द्वारा, उनकी कॉम्पैक्टनेस के कारण, वे इतने कुशल नहीं हैं और इतनी अच्छी सफाई प्रणालियों से सुसज्जित नहीं हैं।
सब कुछ कहता है कि इलेक्ट्रिक कारों पर काम करना, हमारी दुनिया बहुत साफ होगी, और समय के साथ जीवन भी सस्ता है

लेकिन यह संभावना नहीं है कि हम में से कई, हरी दुनिया के लिए लड़ाकू विमानों की गिनती नहीं कर रहे हैं, और यहां तक ​​कि उन पर विचार करते हुए, हर दिन इसके बारे में सोचते हैं। अधिक बार, हम अपने लैपटॉप या फोन के प्रदर्शन पर एक निर्दयी शब्द के साथ कुछ आइकन याद करते हैं, यह देखते हुए कि यह लगभग 20 मिनट तक इसका उपयोग करने के लिए रहता है। और हम पूछते हैं: "ठीक है, जब वे एक सामान्य बैटरी बना लेंगे, तो?"

एक तरीका या दूसरा, जितना 15 और 10 साल पहले भी, यह सवाल इतना गंभीर नहीं था। लेकिन अच्छे का सबसे अच्छा दुश्मन, और शहरी निवासी की बढ़ती गतिशीलता के साथ, अर्थात्। डेस्कटॉप कंप्यूटर से लैपटॉप तक संक्रमण, एक साधारण मोबाइल फोन से स्मार्टफोन तक, मोबाइल ऊर्जा स्रोतों के लिए अनुरोधों में नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है
उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लघुकरण के साथ, इसके डेवलपर्स को बिजली के स्रोत को कम करने की सामान्य दिशा का सामना करना होगा, इस प्रकार बैटरी जीवन का त्याग करना होगा
इन दो समस्याओं में से, दो तत्काल अनुरोध, दो आवश्यकताएं पैदा होती हैं जो एक दूसरे के बगल में जाती हैं, लेकिन जो कई और यहां तक ​​कि अधिक भिन्न होती हैं, सूचना के लगभग सभी बड़े स्रोत विफल हो जाते हैं

• हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक कारों को हल्की बैटरी की जरूरत होती है
• पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स - कॉम्पैक्ट

दुर्भाग्य से, उच्च तकनीक एक ऐसी चीज है जहां एक सफलता हमेशा आदेश द्वारा नहीं की जाती है। और इसलिए: "निचले वर्ग नहीं कर सकते, ऊपरी लोग नहीं चाहते।" बैटरी प्रौद्योगिकी में एक क्रांति की उम्मीद करने के लिए? यह लेख इस लेख पर प्रकाश डालने की कोशिश करेगा।
मुख्य आवेग एक बड़ी गलतफहमी को दूर करने की इच्छा है जो एक तरफ सनसनीखेज पत्रकारों द्वारा बनाई गई थी, दूसरी तरफ, शायद वैज्ञानिकों द्वारा जिनके क्रॉस हमेशा उनकी पहले से ही काफी उपलब्धियों को अतिरंजित करना है। यहां समाचार के कुछ उदाहरण दिए गए हैं, जिनमें से एक मैंने केंद्रीय चैनलों में से एक समाचार में भी सुना था।
न्यू ली-आयन बैटरियों से टेन टाइम्स लॉन्ग और चार्ज टेन टाइम्स क्विकर चलेगा
अब आपके लैपटॉप / मोबाइल की बैटरी दस गुना अधिक समय तक चल सकती है
"बैटरी के उत्पादन के लिए दुर्लभ धातुओं का विकल्प पाया गया है ... इसका उपयोग स्मार्टफोन और अन्य उपकरणों में किया जा सकता है, जिससे बैटरी की जीवन क्षमता बढ़ जाएगी"
"एम्परियस: बैटरियों में अधिक ऊर्जा, नैनोवायर एनोड लिथियम आयन बैटरी को दो बार लंबे समय तक चलने दे सकते हैं"
नैनोवायर बैटरी 10 गुना अधिक समय तक चलती है
वे सभी आप में से अधिकांश से परिचित हैं और होनहार बैटरी के लिए समर्पित हैं, जो बहुत अधिक क्षमता वाला होगा।

बाजार की हालत

यदि 20 वीं शताब्दी को बिजली की सदी कहा जा सकता है, तो पिछले 20 वर्षों में मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स का समय है, और यह चिप प्रौद्योगिकी का सटीक विकास है कि बैटरी उनकी नवीनतम उपलब्धियों का श्रेय देती है। 20 वर्षों के दौरान पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार की वृद्धि ने रिचार्जेबल बैटरी बाजार के विकास के स्रोत के रूप में कार्य किया है। 1983 में, मोटोरोला ने पहला वाणिज्यिक मोबाइल फोन लॉन्च किया, और 90 के दशक की शुरुआत से यह पहले से ही एक दैनिक घटना बन गया है, 90 के दशक की शुरुआत में Intel386 SL पर एक ऊर्जा-कुशल लैपटॉप का जन्म हुआ था। यह निष्कर्ष भी सत्य है: नए रासायनिक वर्तमान स्रोतों ने मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स के एक नए युग की शुरुआत की है। इसलिए इलेक्ट्रॉनिक्स का तेजी से विकास नए प्रकार की बैटरी के वाणिज्यिक परिचय के साथ मेल खाता है: 1989 - NiMH, 1990 - आयन। फिलहाल, बाजार की वृद्धि धीमी हो रही है और इस इंजन को एक नया होनहार हाइब्रिड कार बाजार द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है।
तिथि करने के लिए, निश्चित रूप से, सबसे उन्नत लिथियम-आयन वर्तमान स्रोत (ली-आयन) हैं। इस प्रौद्योगिकी की क्षमता का अभी तक पूरी तरह से खुलासा नहीं किया गया है, और सभी लघु और मध्यम अवधि की संभावनाएं उनके साथ जुड़ी हुई हैं। कृपया ध्यान दें (दाईं ओर) कि विभिन्न ली-आयन डिज़ाइनों के लिए संकेतक की सीमा पिछली बैटरी की तुलना में बहुत व्यापक है, तथ्य यह है कि ली-आयन एक मौलिक नई बैटरी ऑपरेशन योजना है, जिसके प्रतिनिधि लेआउट में बहुत भिन्न हो सकते हैं
तिथि करने के लिए, इलेक्ट्रॉनिक बाजार, जाहिरा तौर पर, गंभीर विकास की संभावनाएं नहीं हैं, क्योंकि पूरे विलायक की आबादी इसकी सीमा है। और स्मार्टफोन के आगमन के साथ, प्रत्येक प्रतिनिधि के पास 1-2 मल्टीमीडिया डिवाइस या बैटरी होती है। बाईं ओर का आंकड़ा दर्शाता है कि 2010 तक सेल ग्राहकों की संख्या। नेटवर्क पहले ही 5.5 बिलियन तक पहुंच गया

पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स (~ 10-12 बिलियन $ / g)	इलेक्ट्रिक कार बाजार (संभावित ~ 60-100 बिलियन डॉलर / जी।)
वर्तमान में, मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स को अधिक कॉम्पैक्ट वर्तमान स्रोतों की आवश्यकता होती है, और उनके लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता विशिष्ट वॉल्यूमेट्रिक क्षमता [आह / एल] और ऊर्जा [Wh / l] है	क्लासिक लोगों के साथ हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों की प्रतिस्पर्धा के लिए, महत्वपूर्ण बैटरी राहत की आवश्यकता होती है: उनकी क्षमता में वृद्धि [आह / जी], शक्ति [डब्ल्यू / जी], ऊर्जा प्रति ग्राम बैटरी [Wh / g]। स्थायित्व और विश्वसनीयता में उल्लेखनीय वृद्धि, जबकि लागत को कम करना [Wh / $]

"लिथियम आयन प्रौद्योगिकी,
हावी होगा
इस सदी के बाजार पर। ”
ताकाओ इवासाकी - कूरेचा कॉर्प के अध्यक्ष। (ली-आयन बैटरी के लिए सामग्री और घटक)

* कुछ अनुमानों के अनुसार, 2020 तक बाजार 5-8 ट्रिल तक बढ़ सकता है। येन (लगभग $ 65-100 बिलियन)
इस पूर्वानुमान में, आविष्कार और नए प्रकार की लिथियम-आयन बैटरी की शुरूआत की जाती है, इसलिए, वित्तीय दृष्टिकोण से, इस क्षेत्र के सभी विकास उदार समर्थन का आनंद लेते हैं। हाल ही में हाई-प्रोफाइल बयानों की कोई कमी नहीं रही है, लेकिन हम यह पता लगाने की कोशिश करेंगे कि आने वाले वर्षों में क्या उम्मीद की जा सकती है

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आदर

1. बहुत विस्तृत बाजार अनुसंधान: LiB सामग्री उद्योग। टकाटो वताबे, मसाशी मोरी 26 जनवरी, 2011। ड्यूश बैंक ग्रुप।

बैटरी डिजाइन

इसलिए, अगला दशक लिथियम-आयन बैटरी का समय है, इसलिए हम भविष्य की लीस और ली-एयर की बैटरी पर ध्यान नहीं देंगे।
चूंकि बैटरी का डिजाइन स्वयं क्रांतिकारी परिवर्तनों से नहीं गुजरता है, इसलिए हम मौजूदा औद्योगिक डिजाइनों से शुरू होकर नए विकास की संभावनाओं का आकलन कर सकते हैं।

प्रति ग्राम और लीटर बैटरी की विशेषताओं का अनुमान लगाने के लिए, हम याद करते हैं कि इसमें दो इलेक्ट्रोड और एक विभाजक, साथ ही साथ वर्तमान कलेक्टरों, एक स्टील का मामला भी शामिल है। सभी घटकों को ध्यान में रखते हुए, हम एक बेलनाकार बैटरी प्रकार 18650 और 14430 के मॉडल का उपयोग करते हैं। यह बेलनाकार तत्व हैं जो हमारे लैपटॉप की बैटरी को भरने वाले हैं।

मूल्यांकन पद्धति। बैटरी डिजाइन का निर्धारण

मानक बेलनाकार बैटरी के 2 प्रकारों पर विचार करें: 14430 और 18650। मूल रूप से, वे एक कामकाजी भाग से जुड़े होते हैं - इलेक्ट्रोड से रोल और एक इलेक्ट्रोलाइट में रोलर विभाजक, और एक शरीर - एक स्टील कंटेनर, साथ ही कवर, टर्मिनल, फ़्यूज़।

बैटरी की विशेषताओं को स्थापित करने के लिए, आदर्श रूप से, आपको इसमें शामिल सभी घटकों की ज्यामिति और द्रव्यमान को जानने की आवश्यकता है, लेकिन चूंकि ये डेटा खुले स्रोतों में नहीं पाए जा सकते हैं, इसलिए हम अन्य तरीकों से जिज्ञासा को संतुष्ट करेंगे:
बैटरी के काम करने और सहायक भागों के वजन और मात्रा को स्थापित करने के लिए, हम मॉडल पेश करते हैं: बैटरी में 3 भाग होते हैं: स्टील वर्टिकल वॉल (0.3-0.5 मिमी), एक बेलनाकार काम करने वाला हिस्सा, साथ ही निचले और ऊपरी सहायक भागों (बैंगनी रंग) को सिलेंडर द्वारा अपनाया जा सकता है। निश्चित ऊंचाई, बैटरी त्रिज्या और अज्ञात घनत्व।

मौलिक रूप से, बैटरी में 3 भाग होते हैं: कार्यशील (सक्रिय) भाग - इलेक्ट्रोलाइट में एक रोलर जो इलेक्ट्रोड और एक विभाजक से मुड़ता है, और शरीर - एक स्टील कंटेनर, साथ ही कवर, क्लैम्प, फ़्यूज़। बैटरी के काम और सहायक भागों के वजन और मात्रा को स्थापित करने के लिए, हम मॉडल पेश करते हैं:
सक्रिय भाग सिलेंडर (नारंगी), और शरीर ( हो सकता है ) - स्टील ऊर्ध्वाधर दीवार ( दीवार ) - बी = 0.3-0.5 मिमी की मोटाई के साथ एक ट्यूब ,। निचले और ऊपरी सहायक भागों (वायलेट ( जोड़ें )) को सिलेंडर (आमतौर पर एक सिलेंडर) द्वारा लिया जा सकता है, और बैटरी की दीवारों के ट्यूब के आंतरिक त्रिज्या के बराबर त्रिज्या के साथ, एक निश्चित निश्चित ऊंचाई और अज्ञात घनत्व।

विशेषताओं को निर्धारित करने के लिए, दो प्रकार की बैटरी की तुलना करें, लेकिन एक ही भरने के साथ।

	व्यास डी [मिमी]	ऊँचाई एच [मिमी]	वजन एम [जी]	क्षमता सी [आह]
NoName14430	14	43	17	0.65
NoName18650	18	65	46	2.2

और अब हम इसके बारे में अधिक जानकारी को निचोड़ेंगे: यह स्पष्ट है कि
वी = πr ² एच
एम _एक्ट + एम _कैन = एम और वी _एक्ट + वी कैन = वी
मॉडल के अनुसार बदले में
एम _कैन = एम _वॉल + एम _ऐड और वी कैन = वी _वॉल + वी _ऐड
दीवार की विशेषताओं की सीधे गणना की जाती है
वी _{दीवार} = एन (आरबी) आर एच
M _{दीवार} = ρ _Steel V _{दीवार}
वी _{जोड़ें} = एन (आरबी) ² एक्स
V _add = n (rb) ² y ,
जहां x, y केवल ऐसे पैरामीटर हैं जो क्रमशः ऊंचाई और ऊंचाई के उत्पाद और वायलेट बेलनाकार भाग के सशर्त घनत्व को इंगित करते हैं।
अब हम इस तथ्य का उपयोग करते हैं कि समान भरने की क्षमता इसकी मात्रा के लिए आनुपातिक है

उपरोक्त सूत्र और डेटा का उपयोग करना, समीकरणों की निम्न प्रणाली को रचना और हल करना आसान है
, क्योंकि हरे रंग में रेखांकित मैट्रिस पहले से ही ज्ञात हैं।

इलेक्ट्रोड की मात्रा और द्रव्यमान की गणना

इलेक्ट्रोड की क्षमता एक-दूसरे के बराबर होती है और बैटरी की कुल क्षमता के बराबर होती है । इसका उपयोग करके और साधारण बैटरी में इलेक्ट्रोड की विशिष्ट समाई को जानने के बाद, आप किसी भी बैटरी में इलेक्ट्रोड को आवंटित मात्रा पा सकते हैं

इलेक्ट्रोड की विशिष्ट धारिता की गणना।
इलेक्ट्रोड में एक सक्रिय पदार्थ होता है जो एक प्रवाहकीय पदार्थ और एक धारक के साथ मिश्रित होता है, सूख जाता है और कुछ छिद्र होता है। यह मिश्रण एक वर्तमान कलेक्टर से जुड़ा हुआ है - एक धातु पन्नी (कैथोड के लिए एल्यूमीनियम और एनोड के लिए तांबा)। पारंपरिक इलेक्ट्रोड के लिए कलेक्टरों के वॉल्यूमेट्रिक अनुपात को [] के अनुसार बहाल किया जाता है।
इसके अलावा इलेक्ट्रोलाइट द्वारा कब्जा की गई मात्रा को स्थापित करना आसान है

बड़े पैमाने पर त्रुटि को कम करके मॉडल मापदंडों का शोधन

इन दो बैटरियों और एक और, आधुनिक Sony NexelIon 14430 रसायन और जिसकी विशेषताओं को जाना जाता है

	व्यास डी [मिमी]	ऊँचाई एच [मिमी]	वजन एम [जी]	क्षमता सी [आह]
NexelIon14430	14	43	20	0.91

दृष्टिकोण

अब, मॉडल का उपयोग करना और द्रव्यमान अंशों (wt%) को जानना, पैकिंग घनत्व, सक्रिय पदार्थ की गुरुत्वाकर्षण क्षमता, वॉल्यूम% अंश और वर्तमान कलेक्टर घनत्व, यह इलेक्ट्रोड की बैटरी, मात्रा और गुरुत्वाकर्षण क्षमता की पूर्ण स्थिरता को बहाल करना आसान है। और भविष्य के उत्पाद की विशेषताओं का आकलन करें। दूसरे शब्दों में, हम मौजूदा बैटरियों के लापता मापदंडों का मूल्यांकन कर सकते हैं और कल्पना कर सकते हैं कि नए इलेक्ट्रोड के साथ उनके एनालॉग की क्या विशेषताएं हैं।
अत्यधिक जांच से परेशान न होने के लिए, हम परिणाम प्रस्तुत करते हैं

जैसा कि LiNi _1-xy Co _x Mn _y O ₂ एनोड (लैपटॉप और फोन के लिए) के साथ बैटरी की क्षमता के पूर्वानुमान आरेख से देखा जा सकता है, यह देखा जा सकता है कि अगले 10-12 वर्षों में, बैटरी ~ 30%% अधिक कॉम्पैक्ट हो सकती है, मुख्य रूप से क्षमता में वृद्धि के कारण। एनोड। अधिक विकास का सवाल अधिक कैपेसिटिव के आविष्कार पर टिकी हुई है कैथोड जो दिखाई नहीं दे रहे हैं। अब तक, एकमात्र आनंद अतिरिक्त लैपटॉप बैटरी खरीदने का है, जिसमें केवल बड़ी संख्या में समान बेलनाकार तत्व शामिल हैं। स्मार्टफोन के संबंध में, मुझे ईमानदारी से आश्चर्य है कि फोन निर्माता बैटरी की उत्पादन क्षमता में वृद्धि क्यों करते हैं, जैसे कि वे लैपटॉप के लिए उत्पादन करते हैं। सिद्धांत रूप में, मैंने दो मुगें पावर और सीडो दो तरफा बैटरी का इस्तेमाल किया और दोनों से बहुत खुश थे।

मोटर वाहन उद्योग के लिए एक नई सदी आ रही है:
नए कम-लागत वाले कैथोड को पोर्टेबल उपकरणों के लिए इसी तरह की बैटरी की तुलना में ~ 50% कम करना चाहिए। नैनोसंरचित इंजीनियरिंग के लिए संक्रमण हमें स्थायित्व में एक महत्वपूर्ण वृद्धि हासिल करने की अनुमति देता है जब 10 या 100 से भी अधिक आधुनिक की शक्ति से काम कर रहा हो। ध्यान दें कि कारों के लिए होनहार बैटरी की आवश्यकता उनके सेवा जीवन में 10-15 गुना वृद्धि है, और यह अभी भी अधूरी है (~ 5000 चक्र)
यह भी संभावना नहीं है कि कोई भी अज्ञात कंपनी ऐसे दिग्गजों के संघर्ष में हस्तक्षेप करने में सक्षम हो जाएगी जैसे कि Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, 123systems, आदि, StartUp के अलावा, नई बैटरी शुरू करने में मुख्य मुद्दा उनकी सुरक्षा, और दूसरे शब्दों में, कंपनी की प्रतिष्ठा। ।

और अंत में, एक सामान्य और आशावादी निष्कर्ष के रूप में: यह बेहतर होगा, लेकिन तुरंत नहीं और ऐसा नहीं) और जो वे झूठ नहीं बोलते हैं वह यह है कि आप सशर्त कॉफी हाउस में जा सकते हैं और मिनटों के मामले में अपनी बैटरी चार्ज कर सकते हैं!

मैं अच्छी तरह से जानता हूं कि इतनी लंबी पोस्ट हर किसी के लिए दिलचस्प नहीं है, इसलिए इसका एक महत्वपूर्ण हिस्सा सीधे परिणामों पर जाकर आसानी से छोड़ा जा सकता है। नीचे सामान्य रूप से और विस्तार से लिथियम-आयन प्रौद्योगिकी के लिए समर्पित एक काफी विस्तृत समीक्षा है, जिसमें बताया जाना चाहिए कि सनसनीखेज समाचार से "पैर कहाँ बढ़ते हैं", साथ ही साथ इस क्षेत्र में नवीनतम उपलब्धियों के बारे में बात करते हैं। यह वहाँ होगा कि पूर्वानुमान के लिए आवश्यक नई सामग्रियों की विशेषताएं दी जाएंगी।

भाग II सामग्री

बैटरी। परिचय

• बैटरी - रासायनिक वर्तमान स्रोत
• रसायन विज्ञान = विद्युत
• गैलवानी प्रभाव और फ्रेंकस्टीन

सबसे सरल कोशिका

• गैल्वेनिक युगल। ऑक्सीकरण और रिकवरी
• गलवानी त्रुटि
• हिट विशेषताओं

लिथियम आयन बैटरी

• इतिहास और कार्रवाई का सिद्धांत
• LIB के मुख्य घटक
  1. इलेक्ट्रोलाइट
  2. एनोड्स । चार्ज के सिद्धांत के अनुसार:
     • एनोड संरचना के "खांचे" में प्लेसमेंट
     • किसी अन्य पदार्थ के क्रिस्टल में विघटन, मिश्र धातुओं का निर्माण
     • प्रतिक्रिया Aubenas
     • नैनोफाइबर के बारे में कुछ शब्द
  3. ली-आयन हिट। कैथोड
     • जैविक युग

रासायनिक वर्तमान स्रोत। बैटरी। परिचय

अब तक, हम विशेष रूप से उपभोक्ता पक्ष से बैटरी के बारे में बात कर रहे हैं, हालांकि, सभी आगे के विचार उपकरणों के संचालन के विवरण में जाते हैं। समीक्षा की शुरुआत में, बैटरी - मोबाइल ऊर्जा स्रोतों को बुलाते हुए, लेखक ने जानबूझकर संक्षिप्त रूप से परहेज किया: बैटरी मोबाइल वर्तमान स्रोत हैं, और अधिक विशेष रूप से, रासायनिक वर्तमान स्रोत (बाद में एचआईटी के रूप में संदर्भित)। उनका उद्देश्य एक कनेक्टेड बाहरी नेटवर्क के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह बनाना है। दूसरे शब्दों में, इसे एक निश्चित "बल" (वोल्टेज) के साथ इलेक्ट्रॉनों की धारा (वर्तमान) से गुजरने के लिए

रसायन विज्ञान और विद्युत प्रवाह

यह स्पष्ट किया जाना चाहिए कि यद्यपि रसायन विज्ञान मुख्य रूप से विभिन्न प्रकार के अक्षरों और नामों के साथ जुड़ा हुआ है, यह, एक विज्ञान के रूप में, इस मामले में विद्युत बातचीत के अध्ययन से अधिक कुछ भी नहीं है।
एक संगीतकार नोटों से अपनी रचना बनाता है, इसलिए एक रसायनज्ञ अपने सरल तत्वों - रसायन के साथ काम करता है। एक रासायनिक तत्व एक स्थिर (और इसलिए लगातार एक ही रूप में होता है) संरचना में एक नाभिक (भारी कणों - न्यूट्रॉन और सकारात्मक चार्ज प्रोटॉन का एक बहुत कॉम्पैक्ट संयोजन) से मिलकर संरचना होती है और प्रकाश नकारात्मक चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों के खोल के इस नाभिक का संगत चार्ज होता है। प्रत्येक तत्व नाभिक में पिछले एक से 1 प्रोटॉन से भिन्न होता है और, तदनुसार, तटस्थ अवस्था में शेल में एक इलेक्ट्रॉन द्वारा होता है। इलेक्ट्रॉनों को जटिल "कक्षाओं" में नाभिक के आसपास स्थित हैं - ऑर्बिटल्स। ये ऑर्बिटल्स नाभिक और पड़ोसी इलेक्ट्रॉनों दोनों के साथ कूलम्ब बातचीत के कारण होते हैं। यह देखना आसान है कि आवधिक तालिका में तत्वों की संरचना को स्तंभों में दोहराया जाता है, केवल पैमाने में बदल रहा है, और फिर तत्वों के रासायनिक गुणों को दोहराया जाता है। इलेक्ट्रॉनों की बाहरी परत अन्य परमाणुओं के साथ बातचीत में भी भाग लेती है। आकर्षण बल नाभिक के आवेश के समानुपाती होता है, और त्रिज्या के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है । कॉमरेड मेंडेलीव शो में रैंक (बाएं से दाएं) बाहरी आवरण को भरना। एक खोल को भरते समय, इसके इलेक्ट्रॉनों की कक्षा का दायरा लगभग समान होता है, इसलिए, बाएं से दाएं, परमाणु चार्ज बढ़ने के साथ, आकर्षण बढ़ता है और इलेक्ट्रॉनों को नाभिक के करीब आकर्षित किया जाता है। नए को भरने की शुरुआत में, सभी आंतरिक गोले नए के इलेक्ट्रॉनों को पीछे हटाते हैं, जिससे नाभिक के लिए इलेक्ट्रॉन के बंधन बल को कम किया जाता है, और इसलिए नई पंक्ति में जाने पर त्रिज्या काफी बढ़ जाती है।
इस तरह के जटिल विद्युत अंतःक्रियाओं की उपस्थिति का एक महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि इलेक्ट्रॉनों, अतिप्रवाह से छुटकारा पाने या अतिरिक्त लोगों को संलग्न करने (लगभग कैसे वे कार्ड खिलाड़ियों को स्वीकार करते हैं), पूरी तरह से भरे हुए शेल बनाने के लिए करते हैं, अंतिम स्तंभ के तत्वों के समान संभव हो जाता है - आत्म-निहित अक्रिय गैसें। इस नियमितता को कहा जाता है - ऑक्टेट नियम (बाहरी कक्षा में 8 इलेक्ट्रॉन)। एक तरीका या दूसरा, उपरोक्त का मुख्य परिणाम यह तथ्य है कि विभिन्न तत्वों में इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने की क्षमता अलग है। यह विभिन्न संख्यात्मक संकेतकों ( इलेक्ट्रोनगेटिविटी , आयनीकरण ऊर्जा , इलेक्ट्रॉनिक आकर्षण ) में परिलक्षित होता है, लेकिन मुख्य बात यह है कि एक अधिक "मजबूत" तत्व एक कमजोर से एक इलेक्ट्रॉन लेने में सक्षम है , और यह स्थानांतरण एक विद्युत प्रवाह है ।
आधुनिक वर्गीकरण में, एचआईटी को प्राथमिक (बैटरी) और माध्यमिक (बैटरी) में विभाजित किया गया है। इस प्रस्तुति में, लेखक इस बात पर जोर देना चाहेगा कि ये नाम इस तथ्य से उपजा नहीं है कि बाद वाले सस्ती हैं, लेकिन इस तथ्य से कि बैटरी में एकत्रित प्राथमिक वर्तमान स्रोत अपने आप में एक ऊर्जा स्रोत के रूप में काम करते हैं, और माध्यमिक केवल चार्जर से प्राप्त ऊर्जा संचारित करते हैं

गैलवानी प्रभाव और फ्रेंकस्टीन

गौरतलब है कि पहली बार एचईटी के प्रभाव की खोज एक इतालवी चिकित्सक लुइगी गैलवानी ने की थी। एक तैयार मेंढक के साथ अपने प्रयोगों की एक श्रृंखला में, दो अलग-अलग धातुओं के ब्लेड की मदद से, वह मांसपेशियों के संकुचन का निरीक्षण करने और विद्युत प्रवाह दर्ज करने में सक्षम था। लेकिन गैलवानी का निष्कर्ष "मांसपेशियों का उत्पादन बिजली" गलत था। घटना की सही व्याख्या करने वाला पहला और निष्कर्ष निकालता है कि इलेक्ट्रोमोटिव बल का जन्म दो अलग-अलग धातुओं के संपर्क से हुआ है, वह था इतालवी भौतिक विज्ञानी ए। वोल्टा। खोज को व्यवहार में लाते हुए, वोल्टा ने पहली रासायनिक कोशिका बनाई, जिसे गैलवानी नाम मिला। आंकड़ा H2SO4 / जस्ता के साथ बारी-बारी से कॉपर / पेपर डिस्क का ढेर दिखाता है। दूसरे शब्दों में, ये श्रृंखला से जुड़े इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाएं हैं यानी ई / एक्स कोशिकाओं की बैटरी, जिसे हम केवल कॉल करने के लिए उपयोग किया जाता है: बैटरी।

XIX सदी के लिए, गैलवानी के पहले प्रयोगों के परिणाम इतने अद्भुत थे कि यह माना जाता था: विद्युत प्रवाह मृतकों को उठाने में सक्षम है।
उस समय (दाईं ओर) की छवि में आप एक मृत व्यक्ति और शैतानों की कंपनी में वोल्टता को आसानी से पहचान सकते हैं। दरअसल, डॉ। फ्रेंकस्टीन उस समय का चेहरा हैं: उपन्यास का नाम, जिसके आधार पर "फ्रेंकस्टीन, या आधुनिक प्रोमेथियस" फिल्मों की एक श्रृंखला की शूटिंग की गई है, खुद के लिए बोलती है। यह बिल्कुल भी डरावनी फिल्म नहीं है, यह विज्ञान कथा है, जिसमें दिखाया गया है कि किस तरह से विद्युत की घटना ने उस समय के लोगों की कल्पना को उत्तेजित कर दिया ( देखें )।

सबसे सरल हिट। गैल्वेनिक युगल

वोल्टा द्वारा आविष्कृत बहुत पहले वर्तमान स्रोत पर विचार करें और गैलवानी नाम का असर।

किसी भी बैटरी में करंट का स्रोत विशेष रूप से रेडॉक्स रिएक्शन हो सकता है। वास्तव में, ये दो प्रतिक्रियाएं हैं: एक परमाणु ऑक्सीकरण करता है जब यह एक इलेक्ट्रॉन खो देता है। इलेक्ट्रॉन प्राप्त करना रिकवरी कहलाता है। यही है, रेडॉक्स प्रतिक्रिया दो बिंदुओं पर होती है: जहां और जहां से इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है।

दो धातु (इलेक्ट्रोड) उनके सल्फ्यूरिक एसिड लवण के एक जलीय घोल में डूबे हुए हैं। एक इलेक्ट्रोड का धातु ऑक्सीकरण होता है, और दूसरा कम हो जाता है। प्रतिक्रिया का कारण यह है कि एक इलेक्ट्रोड के तत्व इलेक्ट्रॉनों को दूसरे के तत्वों की तुलना में अधिक दृढ़ता से आकर्षित करते हैं। Zn - Cu धातु इलेक्ट्रोड की एक जोड़ी में, एक आयन (तांबे का एक तटस्थ यौगिक नहीं) इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने की अधिक क्षमता होती है, इसलिए, जब यह संभव होता है, तो एक इलेक्ट्रॉन एक मजबूत मेजबान में स्थानांतरित होता है, और एक जस्ता आयन एक इलेक्ट्रोलाइट (एक निश्चित आयन-चालन पदार्थ) में एसिड समाधान द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत नेटवर्क के माध्यम से एक कंडक्टर के माध्यम से स्थानांतरित किया जाता है। विपरीत दिशा में घूमने वाले ऋणात्मक आवेश के समानांतर, धनात्मक आवेशित आयन (आयन) इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से चलते हैं (वीडियो देखें)

लिथियम-आयन से पहले सभी चिटोस में, इलेक्ट्रोलाइट चल रही प्रतिक्रियाओं में एक सक्रिय भागीदार है
सीसा बैटरी के संचालन का सेमी सिद्धांत

गलवानी त्रुटि

इलेक्ट्रोलाइट भी एक वर्तमान कंडक्टर है, केवल दूसरी तरह का, जिसमें आयन चार्ज करते हैं। मानव शरीर सिर्फ ऐसे कंडक्टर है, और मांसपेशियों में संकुचन होता है, क्योंकि आयनों और पिंजरों के आंदोलन के कारण।
तो एल। गैलवानी ने गलती से दो इलेक्ट्रोडों को एक प्राकृतिक इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से जोड़ा - एक तैयार मेंढक।

हिट विशेषताओं

क्षमता - इलेक्ट्रॉनों की संख्या (इलेक्ट्रिक चार्ज) जो कि पूरी तरह से बैटरी से डिस्चार्ज होने तक [क्यू] या [आह = क्यू / 3600] से जुड़े डिवाइस के माध्यम से पारित की जा सकती है।
पूरी बैटरी की क्षमता कैथोड और एनोड के समाई से बनती है: एनोड कितने इलेक्ट्रॉनों को देने में सक्षम है और कैथोड को कितने इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने में सक्षम है। स्वाभाविक रूप से, सीमित करना दोनों टैंकों में से छोटा होगा।

वोल्टेज संभावित अंतर है। एनोड से कैथोड [V = J / Q] में संक्रमण के दौरान एक एकल आवेश क्या ऊर्जा दिखाता है, ऊर्जा विशेषता।

ऊर्जा वह काम है जो पूरी तरह से छुट्टी देने से पहले किसी दिए गए HIT पर किया जा सकता है। [J] या [Wh = J / 3600]
पावर - समय की प्रति यूनिट ऊर्जा उत्पादन या काम की दर [W = J / sec]
स्थायित्व या कूलम्ब दक्षता - चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के दौरान क्षमता का कितना प्रतिशत अनियमित रूप से खो जाता है।

सभी विशेषताओं का सैद्धांतिक रूप से अनुमान लगाया जाता है, हालांकि, कई कठिन कारकों के कारण, अधिकांश विशेषताओं को प्रयोगात्मक रूप से निर्दिष्ट किया जाता है। तो उन सभी को एक आदर्श मामले के लिए भविष्यवाणी की जा सकती है, रासायनिक संरचना के आधार पर, लेकिन मैक्रोस्ट्रक्चर का क्षमता और शक्ति और स्थायित्व दोनों पर भारी प्रभाव पड़ता है।

तो काफी हद तक स्थायित्व और क्षमता चार्जिंग / डिस्चार्जिंग गति और इलेक्ट्रोड के मैक्रोस्ट्रक्चर पर दोनों पर निर्भर करती है।
इसलिए, बैटरी को एक पैरामीटर द्वारा नहीं, बल्कि विभिन्न मोड के लिए एक पूरे सेट द्वारा विशेषता है। उदाहरण के लिए, बैटरी वोल्टेज (एकल चार्ज ** की ऊर्जा हस्तांतरण) का अनुमान ऑक्सीकरण और कमी के दौरान सक्रिय पदार्थों के परमाणुओं के आयनीकरण ऊर्जा के मूल्यों से पहले सन्निकटन (सामग्रियों की संभावनाओं के आकलन के चरण में) में लगाया जा सकता है। लेकिन वास्तविक अर्थ अंतर रसायन है। क्षमता, जिसे मापने के लिए, साथ ही चार्ज / डिस्चार्ज कर्व्स लेने के लिए, एक परीक्षण सेल को परीक्षण इलेक्ट्रोड और संदर्भ एक के साथ इकट्ठा किया जाता है।

जलीय समाधानों पर आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए, एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। लिथियम आयन के लिए - धातु लिथियम।

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* आयनीकरण ऊर्जा वह ऊर्जा है जिसे इलेक्ट्रॉन के बीच और परमाणु के बीच के बंधन को तोड़ने के लिए संप्रेषित किया जाना चाहिए। यही है, विपरीत संकेत के साथ लिया जाता है, बाध्यकारी ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है, और सिस्टम हमेशा बाध्यकारी ऊर्जा को कम करने का प्रयास करता है
** एकल हस्तांतरण की ऊर्जा - एक प्राथमिक प्रभार 1,6e-19 [Q] * 1 [V] = 1,6e-19 [J] या 1eV (इलेक्ट्रॉन वोल्ट) की ऊर्जा हस्तांतरण

लिथियम आयन बैटरी

<80 के दशक में, एनोड के लिए लिथियम को एक आशाजनक सामग्री के रूप में प्रस्तावित किया गया था, लेकिन चक्र द्वारा एनोड चक्र की उच्च प्रतिक्रिया और अनियंत्रित रूपांतरण के कारण, उदाहरण के लिए, लिथियम "शाखाओं" के विकास के लिए सीधे कैथेटर तक पहुंच गया, जिससे माध्यमिक में शॉर्ट सर्किट हुआ। बैटरियों ने केवल लिथियम आयन वाले यौगिकों के पक्ष में धातु लिथियम का उपयोग छोड़ने का फैसला किया। लिथियम को ग्रेफाइट में रखने के गुणों का पहले ही वर्णन किया जा चुका है। और 1991 में, सोनी ने लीथ-आयन के अब इस्तेमाल किए गए नाम के तहत एक ग्रेफाइट एनोड के साथ लिथियम बैटरी जारी की।
जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, लिथियम-आयन बैटरी में, इलेक्ट्रोलाइट सीधे प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेता है। दो मुख्य प्रतिक्रियाएं कहां होती हैं: ऑक्सीकरण और कमी, और चार्ज संतुलन कैसे बराबर होता है?
सीधे तौर पर, ये प्रतिक्रिया कैथोड संरचना में लिथियम एनोड और धातु परमाणु के बीच होती है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, लिथियम-आयन बैटरी का उद्भव केवल इलेक्ट्रोड के लिए नए यौगिकों की खोज नहीं है, यह HIT के कामकाज के लिए एक नए सिद्धांत की खोज है:
एक इलेक्ट्रॉन कमजोर रूप से एनोड से जुड़ा होता है, बाहरी कंडक्टर से कैथोड तक बाहर निकलता है।
कैथोड में, इलेक्ट्रॉन धातु की कक्षा में गिर जाता है, इसकी भरपाई 4 वें इलेक्ट्रॉन से की जाती है, जिसे ऑक्सीजन द्वारा व्यावहारिक रूप से दूर ले जाया गया था। अब धातु इलेक्ट्रॉन अंततः ऑक्सीजन से जुड़ा हुआ है, और लिथियम आयन के परिणामस्वरूप विद्युत क्षेत्र ऑक्सीजन की परतों के बीच की खाई में खींचा जाता है। इस प्रकार, लिथियम आयन बैटरी की विशाल ऊर्जा बाहरी 1.2 इलेक्ट्रॉनों की बहाली से नहीं, बल्कि गहरे लोगों की बहाली के साथ काम करके प्राप्त की जाती है। उदाहरण के लिए, 4 वें इलेक्ट्रॉन कोबोल्ट के लिए।
ऑक्सीजन आयनों (लाल) के आसपास के ऑक्सीजन बादलों के साथ कमजोर (10 kJ / mol के क्रम में) ( Van der Waals ) के कारण कैथोड में लिथियम आयन होते हैं।


आवर्त सारणी में ली तीसरा तत्व है, कम परमाणु भार है, और छोटा आकार है। इस तथ्य के कारण कि लिथियम शुरू होता है और, इसके अलावा, केवल दूसरी पंक्ति, तटस्थ परमाणु का आकार काफी बड़ा होता है, जबकि आयन का आकार हीलियम और हाइड्रोजन परमाणुओं के आकार की तुलना में बहुत छोटा होता है, जो इसे LIB योजना में व्यावहारिक रूप से अपरिहार्य बनाता है। उपरोक्त का एक और परिणाम: बाहरी इलेक्ट्रॉन (2s1) में नाभिक के साथ एक डरावना बंधन होता है और इसे आसानी से खो दिया जा सकता है (यह इस तथ्य में व्यक्त किया गया है कि लिथियम में हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड P = -3.04V के सापेक्ष सबसे कम क्षमता है)।

LIB के मुख्य घटक

इलेक्ट्रोलाइट

पारंपरिक बैटरियों के विपरीत, विभाजक के साथ मिलकर इलेक्ट्रोलाइट सीधे प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेता है, लेकिन केवल लिथियम आयनों का परिवहन प्रदान करता है और इलेक्ट्रॉनों के परिवहन की अनुमति नहीं देता है।
इलेक्ट्रोलाइट आवश्यकताएँ:
- अच्छा आयनिक चालकता
- कम इलेक्ट्रॉनिक
- कम लागत
- कम वजन
- गैर-विषाक्तता
- वोल्‍टेज और टेम्‍परेरीटेशंस के वर्तमान रेंज में शामिल होने की अभिलाषा
- इलेक्ट्रोड के संरचनात्मक परिवर्तनों के साथ हस्तक्षेप (क्षमता में कमी को रोकें)
इस समीक्षा में, मैं इलेक्ट्रोलाइट्स के विषय को दरकिनार कर दूंगा, जो तकनीकी रूप से जटिल है, लेकिन हमारे विषय के लिए इतना महत्वपूर्ण नहीं है। मूल रूप से, LiFP ₆ समाधान का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है।
हालांकि यह माना जाता है कि एक विभाजक के साथ एक इलेक्ट्रोलाइट एक पूर्ण इन्सुलेटर है, वास्तव में ऐसा नहीं है:
लिथियम आयन कोशिकाओं में स्व-मुक्ति की घटना मौजूद है। यानी इलेक्ट्रॉनों के साथ लिथियम आयन एक इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड तक पहुंचते हैं। इसलिए, लंबे समय तक भंडारण के मामले में बैटरी को आंशिक रूप से चार्ज रखना आवश्यक है।
ऑपरेशन में लंबे समय तक रुकावट के साथ, उम्र बढ़ने की घटना भी तब होती है जब अलग-अलग समूह लिथियम से समान रूप से आयनों के साथ संतृप्त होते हैं, एकाग्रता की एकरूपता का उल्लंघन करते हैं और जिससे समग्र क्षमता कम हो जाती है। इसलिए, बैटरी खरीदते समय, आपको रिलीज की तारीख की जांच करनी चाहिए

एनोड

एनोड्स कमजोर युग्मन के साथ इलेक्ट्रोड हैं, दोनों "अतिथि" लिथियम आयन और इसी इलेक्ट्रॉन के साथ। वर्तमान में लिथियम आयन बैटरी के एनोड के लिए विविध समाधानों के विकास में उछाल है।
एनोड आवश्यकताएँ

• उच्च इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक चालकता (फास्ट लिथियम निगमन / निष्कर्षण प्रक्रिया)
• परीक्षण इलेक्ट्रोड के साथ कम वोल्टेज (ली)
• बड़ी विशिष्ट क्षमता
• लिथियम की शुरूआत और निष्कर्षण के दौरान एनोड संरचना की उच्च स्थिरता, जो कूलम्ब के लिए जिम्मेदार है

सुधार के तरीके:

• एनोड के पदार्थ की संरचना के मैक्रोस्ट्रक्चर को बदलें
• पदार्थ के छिद्र को कम करें
• एक नई सामग्री का चयन करें।
• संयोजन सामग्री लागू करें
• इलेक्ट्रोलाइट चरण के साथ सीमा के गुणों में सुधार करने के लिए।

सामान्य तौर पर, LIB के लिए एनोड्स को 3 समूहों में विभाजित किया जा सकता है जिस तरह से लिथियम को इसकी संरचना में रखा जाता है:

• एनोड संरचना के "खांचे" में प्लेसमेंट , उदाहरण के लिए, ग्रेफाइट में ग्रेफीन परतों के बीच, स्पिनल्स में, साथ ही स्तरित 3 डी धातु नाइट्राइड।
  प्लसस : उच्च संरचनात्मक स्थिरता, स्थायित्व।
  विपक्ष : कम क्षमता
• एक क्रिस्टल में किसी अन्य पदार्थ का विघटन; मिश्र धातुओं का निर्माण - सिलिकॉन, टिन और जर्मेनियम के साथ मिश्र धातु।
  प्लसस : सबसे बड़ी क्षमता
  विपक्ष : सबसे बड़ा संरचनात्मक परिवर्तन: ~ 3-4 बार मात्रा परिवर्तन
• obena प्रतिक्रियाओं - धातु ऑक्साइड के साथ बातचीत, जिसमें मूल धातु ऑक्साइड, लिथियम ऑक्साइड और इसके विपरीत के प्रतिस्थापन शामिल हैं
  प्लसस : बड़ी क्षमता
  विपक्ष : बड़े संरचनात्मक परिवर्तन: ~ 2 गुना मात्रा में परिवर्तन

एनोड मेजबान हैं। सीसा

हाई स्कूल से लगभग सभी को याद है कि कार्बन दो मुख्य संरचनाओं में ठोस रूप में मौजूद है - ग्रेफाइट और हीरा। इन दो सामग्रियों के गुणों में अंतर हड़ताली है: एक पारदर्शी है - दूसरा नहीं है। एक इन्सुलेटर एक और कंडक्टर है, एक कांच को काटता है, दूसरा कागज पर मिटा देता है। इसका कारण अंतर-अंतर्क्रियाओं की विभिन्न प्रकृति है।
हीरा एक क्रिस्टलीय संरचना होती है, जहां sp3 संकरण के कारण इंटरटॉमिक बॉन्ड का निर्माण होता है, अर्थात सभी बॉन्ड एक जैसे होते हैं - सभी तीन 4 इलेक्ट्रॉनों में at बॉन्ड एक और परमाणु के साथ होते हैं।
ग्रेफाइट का गठन sp2 संकरण द्वारा किया गया है, जो एक स्तरित संरचना को निर्धारित करता है, और परतों के बीच एक कमजोर बंधन है। "फ्लोटिंग" सहसंयोजक carbon बॉन्ड की उपस्थिति कार्बन ग्रेफाइट को एक उत्कृष्ट कंडक्टर बनाती है
ग्रेफाइट कई लाभों के साथ पहली और आज मुख्य एनोड सामग्री है।
उच्च इलेक्ट्रॉनिक चालकता
उच्च आयनिक चालकता
लिथियम परमाणुओं की शुरूआत के दौरान छोटी मात्रा में विकृति
कम लागत
एनोड के लिए सामग्री के रूप में पहला ग्रेफाइट, 1982 में एस। बसु [1] द्वारा वापस प्रस्तावित किया गया था और 1985 में लिथियम-आयन सेल में ए। योशिनो [2] में पेश किया गया था।
सबसे पहले, ग्रेफाइट का उपयोग प्राकृतिक रूप में इलेक्ट्रोड में किया गया था और इसकी क्षमता केवल 200 mAh / g तक पहुंच गई थी। क्षमता बढ़ाने का मुख्य संसाधन ग्रेफाइट की गुणवत्ता में सुधार था (संरचना और अशुद्धियों से शुद्धिकरण में सुधार)। तथ्य यह है कि ग्रेफाइट के गुण उसके मैक्रोस्ट्रक्चर के आधार पर काफी भिन्न होते हैं, और विपरीत दिशा में उन्मुख संरचना में अनिसोट्रोपिक अनाज की भीड़ की उपस्थिति पदार्थ के प्रसार गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। इंजीनियरों ने ग्रेफाइटाइजेशन की डिग्री को बढ़ाने की कोशिश की, लेकिन इसकी वृद्धि से इलेक्ट्रोलाइट का अपघटन हुआ। पहला समाधान इलेक्ट्रोलाइट के साथ मिश्रित कम-ग्रेफाइट वाले कोयले का उपयोग करना था, जिसने एनोड की क्षमता को 280mAh / g (तकनीक अभी भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है) में वृद्धि की। हम इलेक्ट्रोलाइट में विशेष एडिटिव्स पेश करके 1998 में इसे दूर करने में सक्षम थे, जो पहले चक्र (इसके बाद SEI ठोस) में एक सुरक्षात्मक परत बनाते हैं। इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस) इलेक्ट्रोलाइट के आगे अपघटन को रोकने [3] और कृत्रिम ग्रेफाइट 320 mA / g के उपयोग की अनुमति देता है। आज तक, ग्रेफाइट एनोड की क्षमता 360 mAh / g [4] तक पहुंच गई है, और पूरे इलेक्ट्रोड की क्षमता 345mAh / g और 476 Ah / l [8] है

प्रतिक्रिया: ली _1-x C ₆ + Li _{x 6} LiC ₆

ग्रेफाइट संरचना 6 ली प्रति 1 लीटर परमाणु को अधिकतम स्वीकार करने में सक्षम है, इसलिए अधिकतम प्राप्त करने की क्षमता 372 mAh / g है (यह आमतौर पर इस्तेमाल किए गए आंकड़े के रूप में इतना सैद्धांतिक नहीं है क्योंकि यहां यह एक दुर्लभ मामला है क्योंकि कुछ वास्तविक सैद्धांतिक से अधिक है, क्योंकि व्यवहार में लिथियम आयनों को रखा जा सकता है। न केवल कोशिकाओं के अंदर, बल्कि ग्रेफाइट अनाज के फ्रैक्चर पर भी)
1991 से ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड में कई बदलाव हुए हैं, और कुछ विशेषताओं के अनुसार, ऐसा लगता है, एक स्वतंत्र सामग्री के रूप में, अपनी छत तक पहुंच गया है । सुधार के लिए मुख्य क्षेत्र बढ़ती शक्ति है, अर्थात्। बैटरी डिस्चार्ज / चार्ज दरें। बढ़ती शक्ति का कार्य एक ही समय में स्थायित्व बढ़ाने का कार्य है, क्योंकि एनोड के तेज निर्वहन / चार्जिंग से ग्रेफाइट संरचना का विनाश होता है, जो लिथियम आयनों द्वारा इसके माध्यम से "खींचा" जाता है। बढ़ती शक्ति के लिए मानक तकनीकों के अलावा, आमतौर पर सतह / आयतन अनुपात को कम करने के लिए, क्रिस्टल जाली [5] की विभिन्न दिशाओं में ग्रेफाइट एकल क्रिस्टल के प्रसार गुणों के अध्ययन पर ध्यान देना आवश्यक है, जो दर्शाता है कि लिथियम की प्रसार दर परिमाण के 10 आदेशों से भिन्न हो सकती है।
वापस निष्कर्ष पर

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केएसनोवोसेलोव और ए.के. खेल - भौतिकी में 2010 के नोबेल पुरस्कार के विजेता । ग्राफीन के आत्म-उपयोग के
खोजकर्ता
[ 1] बेल लेबोरेटरीज यूएस पेटेंट 4,423,125 [2] असाही केमिकल इंडस्ट्रीज़। जापान पेटेंट 1989293
[3] Ube Industries Ltd. यूएस पेटेंट 6,033,809
[4] मसाकी योशियो, अकिया कोजवा और राल्फ जे। ब्रोड। लिथियम-आयन बैटरियों विज्ञान और प्रौद्योगिकी स्प्रिंगर 2009.
[5] ग्रेफाइटिक कार्बन क्रिस्टिन पर्सन में एल.एल. Phis। रसायन। पत्र 2010 / लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला। 2010
[६] लिथियम के संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों में ग्रेफाइट LiC6, KR Kganyago, PE Ngoep Phis शामिल हैं। 2003 की समीक्षा करें।
[7] लिथियम आयन बैटरी और उसी के निर्माण की विधि में इस्तेमाल होने वाले नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए सक्रिय सामग्री। सैमसंग प्रदर्शन उपकरण कं, लिमिटेड (KR) 09 / 923,908 2003
[8] चक्र प्रदर्शन पर इलेक्ट्रोड घनत्व का प्रभाव और लिथियम आयन बैटरी में प्राकृतिक ग्रेफाइट एनोड के लिए अपरिवर्तनीय क्षमता हानि। जोयोंफियो शिम और कैथरीन ए स्ट्राइबेल

टिन Anodes एंड कंपनी मिश्र

आज, सबसे आशाजनक में से एक आवधिक तालिका के 14 वें समूह के तत्वों से एनोड हैं। 30 साल पहले, लिथियम के साथ मिश्रधातु (अंतरालीय समाधान) बनाने के लिए टिन ( Sn ) की क्षमता का अच्छी तरह से अध्ययन किया गया था [1]। यह केवल 1995 में था कि फ़ूजी ने टिन-आधारित एनोड सामग्री की घोषणा की (देखें, उदाहरण के लिए, [2])
यह उम्मीद करना तर्कसंगत था कि एक ही समूह के हल्के तत्वों में समान गुण होंगे, और वास्तव में सिलिकॉन ( एसआई ) और जर्मेनियम ( जीई ) एक समान चरित्र दिखाते हैं। लिथियम
ली ₂₂ Sn ₅ , Li ₂₂ Ge ₅ , Li ₁₅ Si ₄ Li _{x को} अपनाना

+ Sn (Si, Ge) <-> Li _x Sn (Si, Ge) (x <= 4.4)
सामग्री के इस समूह का उपयोग करने में मुख्य और सामान्य कठिनाई 357% से 400% , वॉल्यूमेट्रिक विकृति जब लिथियम के साथ होती है (, चार्ज करते समय), वर्तमान कलेक्टर के संपर्क के एनोड की सामग्री के भाग के नुकसान के कारण क्षमता में बड़े नुकसान के लिए अग्रणी।

शायद इस समूह का सबसे विस्तृत तत्व टिन है:
सबसे भारी होने के कारण अधिक कठिन निर्णय दिए जाते हैं: इस तरह के एनोड की अधिकतम सैद्धांतिक क्षमता 960 mAh / g है , लेकिन कॉम्पैक्ट ( 7000 आह / l - 1960Ah / l * ): फिर भी पारंपरिक कार्बन 3 और 8 को पार कर रहा है। (2.7 * ) बार, क्रमशः।
सबसे आशाजनक सिलिकॉन आधारित एनोड हैं, जो सैद्धांतिक रूप से ( 4200 mAh / g ~ 3590mAh / g [5]) 10 गुना से अधिक हल्का और 11 ( 3.14 * ) कॉम्पैक्ट ( 9340 आह / l ~ 2440 आह / l * ) हैं ग्रेफाइट।
Si के पास पर्याप्त इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक चालकता नहीं है, जो कि
जियो एनोड की शक्ति बढ़ाने के अतिरिक्त साधनों की खोज की ओर जाता है ; जर्मेनियम का उल्लेख अक्सर Sn और Si के रूप में नहीं किया जाता है, लेकिन मध्यवर्ती होने के नाते, इसकी एक बड़ी ( 1600 mAh / g ~ 2200 * आह / l ) क्षमता और है में 400बार सी आयन चालकता की है कि इसकी ऊंची कीमत पल्ला झुकना बनाने के लिए अधिक-शक्तिशाली विद्युत [4] हो सकता है की तुलना में अधिक

: बड़े अनुमापी विकृतियों के साथ साथ, वहाँ एक और समस्या है
लिथियम आक्साइड की अपरिवर्तनीय प्रतिक्रिया की वजह से पहले चक्र पर क्षमता के नुकसान

SNO _एक्स + x2Li ⁺ -> xLi ₂ O + Sn
xLi ₂ O + Sn + yLi ⁺ <-> xLi ₂ O + Li _y Sn

जो अधिक होते हैं, हवा के साथ इलेक्ट्रोड का संपर्क जितना अधिक होता है (सतह का क्षेत्रफल उतना ही बड़ा होता है, यानी छोटा संरचना)
कई योजनाओं को विकसित किया गया है, एक डिग्री या किसी अन्य के लिए, इन यौगिकों की महान क्षमता को शामिल करना, कमियों को बाहर निकालना। हालांकि, साथ ही साथ लाभ:
इन सभी सामग्रियों का उपयोग आज ग्रेफाइट के साथ संयुक्त एनोड में किया जाता है, जो 20-30% तक उनकी विशेषताओं को बढ़ाते हैं।

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* लेखक द्वारा सही किए गए मूल्यों को चिह्नित किया जाता है, क्योंकि आम आंकड़े मात्रा में महत्वपूर्ण वृद्धि को ध्यान में नहीं रखते हैं और सक्रिय पदार्थ (लिथियम के साथ संतृप्ति से पहले) के घनत्व के साथ काम करते हैं, जिसका अर्थ है कि वे पूरी तरह से वास्तविक स्थिति को प्रतिबिंबित नहीं करते हैं
[1] एमएस रोस्टर, सीई क्राउथमेल, एसई वुड, जे। भौतिकी। केम।, 1966
[2] जुमास, जीन-क्लाउड, लिपन्स, पियरे-इमैनुएल, ओलिवियर-फोरकेड, जोसेट, रॉबर्ट, फ्लोरेंट विलमैन, पैट्रिक 2008
यूएस पेटेंट एप्लीकेशन 20080003502
[3] सोनी के नेक्सलियन
ली-आयन इलेक्ट्रोड की रसायन और संरचना सामग्री
जे। वोल्फेंस्टाइन, जेएल एलन,
जे। रीड, और डी। फोस्टर
आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी 2006.
[4] जीई नैनोवियर्स का उपयोग करते हुए उच्च क्षमता ली-आयन बैटरी एनोड
[५] ली-आयन बैटरियों के लिए इलेक्ट्रोड -
इलेक्ट्रोकेमिकल सोसायटी की एक पुरानी समस्या जर्नल को देखने का एक नया तरीका , 155 rochemical2͒ A158-A163 ͒2008͒।

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मौजूदा विकास

बड़ी एनोड विकृति की समस्या के सभी मौजूदा समाधान एक ही विचार से आते हैं: विस्तार करते समय, यांत्रिक तनाव का कारण सिस्टम की अखंडता है: कई संभवतया छोटे संरचनाओं में अखंड इलेक्ट्रोड को तोड़ने के लिए, उन्हें एक-दूसरे के स्वतंत्र रूप से विस्तार करने की अनुमति देता है।
पहला, सबसे स्पष्ट, विधि कुछ प्रकार के धारक का उपयोग करके पदार्थ का एक सरल पीस है जो कणों को बड़े लोगों में विलय करने से रोकता है, साथ ही साथ इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रवाहकीय एजेंटों के साथ परिणामी मिश्रण की संतृप्ति भी करता है। ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के विकास में एक समान समाधान का पता लगाया जा सकता है। इस पद्धति ने एनोड्स की क्षमता बढ़ाने में कुछ प्रगति करने की अनुमति दी, लेकिन फिर भी, जब तक कि विचाराधीन सामग्रियों की क्षमता पूरी तरह से प्रकट नहीं हो जाती, तब तक एनोड की क्षमता (मात्रा और द्रव्यमान दोनों) ~ 10-30% (कम शक्ति पर 400 - 550 mAh / g )
ग्रेफाइट गोले की सतह पर नैनोसाइज्ड टिन कणों (इलेक्ट्रोलिसिस) को पेश करने की अपेक्षाकृत शुरुआती विधि के
साथ, समस्या पर एक शानदार और सरल नज़र ने एक पारंपरिक औद्योगिक रूप से प्राप्त पाउडर 1668 आह / एल [14]
का उपयोग करके एक कुशल बैटरी बनाना संभव बना दिया है । अगला कदम माइक्रोपार्टिकल्स से नैनोकणों में संक्रमण शुरू किया: अल्ट्रामोडर्न बैटरी और उनके प्रोटोटाइप एक नैनोमीटर पैमाने पर पदार्थ संरचनाओं की जांच और निर्माण करते हैं, जिससे स्वीकार्य स्थायित्व के साथ 500 - 600 mAh / g (~ 600 आह / l *) क्षमता बढ़ाना संभव हो गया है [6]

इलेक्ट्रोड में कई होनहार प्रकार के नैनोस्ट्रक्चर में से एक तथाकथित है शेल - कोर कॉन्फ़िगरेशन, जहां कोर कार्यशील पदार्थ से छोटे व्यास का एक क्षेत्र है, और शेल एक "झिल्ली" के रूप में कार्य करता है जो कणों को टूटने से रोकता है और पर्यावरण के साथ इलेक्ट्रॉनिक संचार प्रदान करता है। टिन नैनोकणों [8] के लिए एक खोल के रूप में तांबे के उपयोग ने कई चक्रों के साथ-साथ उच्च चार्जिंग / डिस्चार्जिंग धाराओं के लिए एक उच्च क्षमता ( 800 mAh / g - 540 mAh / g *) दिखाते हुए प्रभावशाली परिणाम दिखाए । कार्बन शेल ( 600 mAh / g ) [7] की तुलना में, यह Si-C [9] के समान है, क्योंकि नैनोसहर पूरी तरह से सक्रिय पदार्थ से बने होते हैं, इसकी वाष्पशील क्षमता को उच्चतम ( 1740 आह / l (*) में से एक के रूप में पहचाना जाना चाहिए।

जैसा कि उल्लेख किया गया है, कार्यशील पदार्थ के अचानक विस्तार के हानिकारक प्रभावों को कम करने के लिए, विस्तार के लिए स्थान का प्रावधान आवश्यक है।
पिछले एक वर्ष में, शोधकर्ताओं ने काम करने योग्य नैनोस्ट्रक्चर बनाने में प्रभावशाली प्रगति की है:
जेफिल चो नैनोरोड्स [13] ने 2800 mAh / g प्रति कम बिजली प्रति 100 चक्र और 2600 → 2400 एक उच्च शक्ति में एक झरझरा सिलिकॉन संरचना का उपयोग करके हासिल किया
और 40 एनएम फिल्म के साथ लेपित सी नैनोफिबर्स भी। 200 चक्र के बाद 3400 → 2750 mAh / g (अधिनियम। इन-वा) दिखा रहा है।
यान याओ और उनके सहयोगियों [12] खोखले क्षेत्रों के रूप में सी ispolzovat सुझाव है, उल्लेखनीय स्थायित्व को प्राप्त करने: प्रारंभिक क्षमता 2725 महिंद्रा / जी (और केवल 336 आह / एल (*)) गिरने क्षमता 50% से कम के 700 चक्र के बाद

2011 sentyabre ग्राम में। बर्कले लैब [10] के वैज्ञानिकों ने एक स्थिर इलेक्ट्रॉन-चालन जेल के निर्माण की घोषणा की,
जो सिलिकॉन सामग्री के उपयोग में क्रांति ला सकता है। इस आविष्कार के महत्व को कम करना मुश्किल है: नया जेल धारक और कंडक्टर दोनों के रूप में काम कर सकता है, नैनोकणों के सहसंरक्षण और संपर्क के नुकसान को रोकता है। यह सस्ते औद्योगिक पाउडर का उपयोग सक्रिय सामग्री के रूप में करने की अनुमति देता है और, रचनाकारों के अनुसार, पारंपरिक धारकों के मूल्य में तुलनीय है। औद्योगिक सामग्री (नैनो सी पाउडर) से बना एक इलेक्ट्रोड 1360 mAh / g और बहुत उच्च 2100 आह / l (*)
निष्कर्ष पर वापस जाता है

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* - लेखक द्वारा गणना की गई वास्तविक क्षमता का एक अनुमान (परिशिष्ट देखें)
[1] एमएस फोस्टर, सीई क्राउथमेल, एसई वुड, जे। फिज। केम।, 1966
[2] जुमास, जीन-क्लाउड, लिपन्स, पियरे-इमैनुएल, ओलिवियर-फोरकेड, जोसेट, रॉबर्ट, फ्लोरेंट विलमैन, पैट्रिक 2008 यूएस पेटेंट एप्लीकेशन 20080003502
[3] सोनी के नेक्सलियन ली-आयन इलेक्ट्रोड की रसायन और संरचना सामग्री जे। वोल्फेंस्टाइन, जेएल एलन, जे। रीड, और डी। फोस्टर आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी 2006.
[4] हाई कैपेसिटी ली-आयन बैटरी एनोड्स जो जीनोवेयर्स का उपयोग कर रहे हैं
[5] बॉल मिलिंग ग्रेफाइट / टिन मिश्रित एनोड सामग्री तरल माध्यम में। के वैंग 2007.
[6] इलेक्ट्रोलेस-प्लेटेड टिन यौगिकों पर कार्बोनेस का मिश्रण लिथियम-आयन बैटरी जर्नल ऑफ पावर स्रोतों के लिए एनोड के रूप में।
[[] लिथियम-आयन बैटरियों के लिए स्ने-सी कम्पोजिट एनोड पर कार्बोन-शैल का प्रभाव। पियानो रेन एट अल। आयनिक्स 2010.
[ No ] ली रेच के लिए उपन्यास कोर-शैल स्ने-क्यू एनोड्स। बैटरियों, रेडोक्स-ट्रांसमेटेलेशन प्रतिक्रिया द्वारा तैयार की जाती हैं। उन्नत सामग्री। 2010
[९] कोर डबल-शेल Si @ SiO2 @ C नैनोकंपोजिट्स ली-आयन बैटरी लीवेई एट एट अल के लिए एनोड सामग्री के रूप में। केमकॉम 2010.
[10] उच्च क्षमता लिथियम बैटरी इलेक्ट्रोड गाओ लियू एट अल के लिए दर्जी इलेक्ट्रॉनिक संरचना के साथ पॉलिमर। अभिभाषक। मेटर। 2011, 23, 4679-4683
[12] लंबी साइकिल जीवन के साथ लिथियम-आयन बैटरी एनोड के लिए इंटरकनेक्टेड सिलिकॉन खोखले नैनोस्फेयर। यान याओ एट अल। नैनो लेटर्स 2011.
[13] लिथियम रिचार्जेबल बैटरी, जेफिल चो के लिए पोरस सी एनोड सामग्री। जे। मैटर। केम।, 2010, 20, 4009-4014
[14] ली-आयन बैटरियों के लिए इलेक्ट्रोड - इलेक्ट्रोकेमिकल सोसायटी की एक पुरानी समस्या जर्नल को देखने का एक नया तरीका, 155 ͒ 2͒ A158-A163 ͑ 228͒।
[१५] ACCUMULATEURS FIXES, US पेटेंट 8062556 2006

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आवेदन

इलेक्ट्रोड संरचनाओं के विशेष मामले :

तांबे के कोटिंग के साथ टिन नैनोकणों की वास्तविक क्षमता का अनुमान Cu @ Sn

लेख से, 1 से 3m




0.52 के कणों का एक वॉल्यूम अनुपात ज्ञात है - यह पाउडर पैकिंग गुणांक है। तदनुसार, शेष मात्रा 0.48




नैनोस्फेयर द्वारा बनाए रखी जाती है। पैकिंग अनुपात।
नैनोस्फेरेस के लिए दी गई कम मात्रा की क्षमता इस तथ्य के कारण है कि अंदर के गोले खोखले हैं, और इसलिए सक्रिय सामग्री का पैकिंग गुणांक बहुत कम है,

यहां तक ​​कि यह 0.1 होगा , एक साधारण पाउडर की तुलना में - 0.5 - 07 ...

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चयापचय प्रतिक्रियाओं के एनोड। धातुओं के ऑक्साइड।

एक शक के बिना, धातु ऑक्साइड जैसे कि फे ₂ ओ ₃ भी होनहार समूह के हैं । एक उच्च सैद्धांतिक क्षमता होने पर, इन सामग्रियों को इलेक्ट्रोड के सक्रिय पदार्थ की विसंगति को बढ़ाने के लिए समाधान की भी आवश्यकता होती है। इस संदर्भ में, एक नैनोफाइबर के रूप में इस तरह के एक महत्वपूर्ण नैनोस्ट्रक्चर को उचित ध्यान मिलेगा।
ऑक्साइड एक इलेक्ट्रोड की संरचना में लिथियम को शामिल करने और बाहर करने का तीसरा तरीका दिखाता है। यदि ग्रेफाइट लिथियम में मुख्य रूप से ग्रेफीन परतों के बीच होता है, तो सिलिकॉन के साथ समाधान में, यह अपने क्रिस्टल जाली में एम्बेडेड होता है, फिर इलेक्ट्रोड की मूल धातु और अतिथि, लिथियम के बीच ऑक्सीजन विनिमय होने की अधिक संभावना है। इलेक्ट्रोड सरणी मैट्रिक्स के भीतर नैनोकणों में लिथियम ऑक्साइड और बुनियादी धातु strastaetsya का ही बना है (देखें, उदाहरण के लिए, चित्रा मोलिब्डेनम ऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया व्यक्त की। Moo ₃ + 6Li ⁺ + 6e ^- <-> 3Li ₂ O + मो )
बातचीत की यह प्रकृति इलेक्ट्रोड की संरचना में धातु आयनों के आसान आंदोलन की आवश्यकता का अर्थ है, अर्थात्। उच्च प्रसार, और इसका अर्थ है कि बारीक कणों और नैनोस्ट्रक्चर का संक्रमण।

विभिन्न एनोड आकृति विज्ञान की बात करें, तो पारंपरिक (सक्रिय पाउडर, ग्रेफाइट पाउडर + धारक) के अलावा इलेक्ट्रॉनिक संचार प्रदान करने के तरीके, प्रवाहकीय एजेंट के रूप में ग्रेफाइट के अन्य रूपों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:
एक सामान्य दृष्टिकोण एक संयोजन है ग्रेफीन और मुख्य पदार्थ, जब नैनोकणों को सीधे ग्रेफीन की "शीट" पर स्थित किया जा सकता है, और यह बदले में, एक कंडक्टर और एक बफर के रूप में काम करेगा जब काम करने वाले पदार्थ का विस्तार होता है। इस संरचना को सह ₃ O ₄ [1] 778 mAh / g के लिए प्रस्तावित किया गया थाऔर काफी टिकाऊ है। Fe ₂ O ₃ [2] के लिए 1100 mAh / g के समान है,
लेकिन ग्राफीन के बहुत कम घनत्व को देखते हुए यह आकलन करना भी मुश्किल है कि ऐसे समाधान कितने लागू होते हैं।
एक अन्य विधि ग्रेफाइट नैनोट्यूब एसी डिलन एट अल का उपयोग है। MoO _{3 के} साथ प्रयोग करने से उच्च क्षमता 800 mAh / g ( 600mAh / g * 1430 आह / l * ) 5 wt% धारक के साथ [3] 50 चक्र के बाद क्षमता का नुकसान एल्युमिना के साथ लेपित होता है और Fe ₄ O _{4 के} साथ भी उपयोग किए बिना। धारक प्रतिरोधी 1000 mAh / g ( 770 - 1000 आह / l *) अंजीर। दाएं: बेहतरीन ग्रेफाइट ट्यूब के साथ एनोड / Fe ₂ O ₃ नैनोफिब्र की SEM छवि 5 wt% (सफेद) [3]
M _x O _y + 2yLi ⁺ + 2ye ^- <-> yLi ₂ O + xM
वापस निष्कर्ष पर

नैनोफाइबर के बारे में कुछ शब्द

हाल ही में, सामग्री विज्ञान प्रकाशनों में प्रकाशनों के लिए नैनोफ़िबर्स सबसे गर्म विषयों में से एक रहा है, विशेष रूप से होनहार बैटरी के लिए समर्पित, क्योंकि वे कणों के बीच अच्छी बॉन्डिंग के साथ एक बड़ी सक्रिय सतह प्रदान करते हैं।
प्रारंभ में, नैनोफ़िबर्स को एक प्रकार की सक्रिय सामग्री के नैनोकणों के रूप में उपयोग किया जाता था, जो एक धारक और प्रवाहकीय एजेंटों के साथ एक सजातीय मिश्रण में, एक इलेक्ट्रोड बनाते हैं।
नैनोफिबर्स की पैकिंग घनत्व का प्रश्न बहुत जटिल है, क्योंकि यह कई कारकों पर निर्भर करता है। और, स्पष्ट रूप से, यह जानबूझकर व्यावहारिक रूप से जलाया नहीं जाता है (विशेष रूप से इलेक्ट्रोड के संबंध में)। यह अकेले पूरे एनोड के वास्तविक संकेतकों का विश्लेषण करना मुश्किल बनाता है। एक आकलन राय तैयार करने के लिए, लेखक ने बंकरों में घास के घनत्व के विश्लेषण के लिए समर्पित आरईएम [4] के काम का उपयोग करने के लिए उद्यम किया। नैनोफिबर्स की एसईएम छवियों को देखते हुए, पैकिंग घनत्व का एक आशावादी विश्लेषण 30-40% होगा।
पिछले 5 वर्षों में, वर्तमान कलेक्टर पर सीधे नैनोफिबर्स के संश्लेषण पर अधिक ध्यान केंद्रित किया गया है, जिसमें कई गंभीर फायदे हैं:
वर्तमान कलेक्टर के साथ कार्य सामग्री का प्रत्यक्ष संपर्क प्रदान करता है, इलेक्ट्रोलाइट के साथ संपर्क में सुधार करता है, ग्रेफाइट एडिटिव्स की आवश्यकता को समाप्त करता है। उत्पादन के कई चरणों को बाईपास किया जाता है, काम करने वाले पदार्थ की पैकिंग घनत्व में काफी वृद्धि होती है।
के। चैन एट अल। परीक्षण जी नैनोफिबर्स ने कम शक्ति के लिए 1000mAh / g ( 800Ah / l ) और 50 चक्रों [5] के बाद 2C पर 800 → 550 ( 650 → 450 आह / l *) प्राप्त किया। उसी समय, यंगयांग ली और सह-लेखकों ने सह ₃ O ₄ : 1100 → 800 mAh / g ( 880 →) की उच्च क्षमता और विशाल शक्ति दिखाई।640Ah / l *) 20 चक्रों के बाद और 600 mAh / g ( 480 आह / l *) के साथ वर्तमान में वृद्धि के साथ 20 [6]

हमें अलग से नोट करना चाहिए और सभी को प्रेरणा के लिए ए। बेलचर ** के प्रेरणादायक कार्यों की सलाह देनी चाहिए, जो कि नए कदम हैं। जैव प्रौद्योगिकी का युग।
बैक्टीरियोफेज वायरस को संशोधित करके, ए। बेलहर प्राकृतिक जैविक प्रक्रिया के कारण, कमरे के तापमान पर इसके आधार पर नैनोफिबर्स का निर्माण करने में सक्षम था। इस तरह के तंतुओं की उच्च संरचनात्मक स्पष्टता को देखते हुए, परिणामी इलेक्ट्रोड न केवल पर्यावरण के अनुकूल हैं, बल्कि फाइबर पैकेज की पैकिंग और काफी अधिक टिकाऊ काम [7] [8] [९] [९]
को निष्कर्ष पर वापस भेजते हैं।

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* - लेखक द्वारा गणना की जाने वाली वास्तविक क्षमता का अनुमान (देखें परिशिष्ट)
**
एंजेला बेल्चर - एक उत्कृष्ट वैज्ञानिक (रसायनज्ञ, इलेक्ट्रोकैमिस्ट, माइक्रोबायोलॉजिस्ट)। नैनोफिबर्स के संश्लेषण के आविष्कारक और विशेष रूप से व्युत्पन्न वायरस संस्कृतियों का उपयोग करते हुए इलेक्ट्रोड में उनका आदेश
( साक्षात्कार देखें )

आवेदन

जैसा कि कहा गया था, एनोड चार्ज एक प्रतिक्रिया के माध्यम से होता है।

मुझे चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रोड के विस्तार के वास्तविक संकेतकों के साहित्य संकेतों में नहीं मिला है, इसलिए मैं सबसे छोटे संभावित परिवर्तनों द्वारा उनका मूल्यांकन करने का प्रस्ताव करता हूं। अर्थात्, अभिकारकों और प्रतिक्रिया उत्पादों के दाढ़ मात्रा के अनुपात ( V ^Lihitated में आरोपित एनोड का आयतन है , V ^UnLihitated डिस्चार्ज एनोड का आयतन है) धातुओं और उनके ऑक्साइड की घनत्व खुले स्रोतों में आसानी से पाई जा सकती है।

गणना मंच	MoO 3 के लिए गणना उदाहरण

यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि प्राप्त वॉल्यूमेट्रिक क्षमता निरंतर सक्रिय पदार्थ की क्षमता है, इसलिए, संरचना के प्रकार के आधार पर, सक्रिय पदार्थ पूरी सामग्री की मात्रा के एक अलग अंश पर कब्जा कर लेता है, यह पैकिंग गुणांक के _{पी को} शुरू करने के लिए ध्यान में रखा जाएगा । उदाहरण के लिए, एक पाउडर के लिए, यह लिथियम रिचार्जेबल बैटरी के लिए 50-70%

[1] अत्यधिक प्रतिवर्ती Co3O4 / ग्राफीन हाइब्रिड एनोड है। एच। किम एट अल। कार्बन ४ ९ (२०११) ३२६-३३२
[२] नैनोसंरचना में कम किया गया ग्राफीन ऑक्साइड / Fe2O3 कम्पोजिट लिथियम आयन बैटरियों के लिए एक उच्च-प्रदर्शन एनोड सामग्री के रूप में। ACSNANO वीओएल। 4 ▪ सं। 6
[ 3187–3194 ▪ 2010 [3] नैनोस्टेक्टेड मेटल ऑक्साइड एनोड। एसी डिलन। 2010
[४] बंकर साइलेज डेंसिटी को देखने का एक नया तरीका। रे मक। यूएस डेयरी फ़ॉरेज़ रिसर्च सेंटर मैडिसन, मैडिसन WI
[5] उच्च क्षमता ली आयन बैटरी एनोड्स का उपयोग करते हुए जीई नैनोवायर के। चान एट। अल।नैनो लेटर्स 2008 वॉल्यूम। 8, नहीं। 1 307-309
[6] उच्च क्षमता और दर क्षमता के साथ लिथियम आयन बैटरियों के लिए मेसोपोरस सीओ 3 ओ 4 नैनोवायर एरे। युंगंग ली एट। अल।नैनो लेटर्स 2008 वॉल्यूम। 8, नहीं। 1,265-270
[7] लीथियम आयन बैटरी इलेक्ट्रोड की टाय नाम, एंजेला एम। बेलचर एट अल के लिए वायरस-सक्षम संश्लेषण और असेंबली ऑफ नैनोवायर। www.sciencexpress.org / 06 April 2006 / Page 1 / 10.1126 / science.112271
[8] लिथियम-आयन बैटरियों के लिए वायरस-सक्षम सिलिकॉन एनोड। Xilin चेन एट अल। एसीएस नैनो, 2010, 4 (9), पीपी 5366-5372।
[९] SELF-ASSEMBLED, FLEXIBLE और LIT LITHIUM बैटरी MIT, बेल्चर A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1) के लिए VIRUS SCAFFOLD

लिथियम आयन हिट। कैथोड

लिथियम आयन बैटरी के कैथोड मुख्य रूप से लिथियम आयन प्राप्त करने में सक्षम होने चाहिए, और एक उच्च वोल्टेज प्रदान करते हैं, जिसका अर्थ है कि समाई के साथ बहुत अधिक ऊर्जा।

ली-आयन बैटरी के कैथोड के विकास और उत्पादन के क्षेत्र में एक दिलचस्प स्थिति विकसित हुई है। 1979 में, जॉन गुडेनफ और मिज़ुचिमा कोइची ने Li-Ion बैटरी के लिए कैथोड का पेटेंट कराया , जिसमें LiMO2 जैसी स्तरित संरचना थी, जिसके तहत लिथियम आयन बैटरी के लगभग सभी मौजूदा कैथोड गिर जाते हैं। [१] [२]
कैथोड के प्रमुख तत्व
ऑक्सीजन, एक लिंक, एक पुल के रूप में हैं, और अपने इलेक्ट्रॉन बादलों के साथ लिथियम को "पकड़" भी रहे हैं।
संक्रमण धातु (यानी, वैलेंस डी-ऑर्बिटल्स के साथ धातु), क्योंकि यह विभिन्न प्रकार के बांडों के साथ संरचना बना सकता है। पहले कैथोड में सल्फर टीआईएस ₂ [5] [6] का उपयोग किया जाता था , लेकिन फिर उन्होंने ऑक्सीजन पर स्विच किया, एक अधिक कॉम्पैक्ट, और सबसे महत्वपूर्ण रूप से अधिक विद्युत तत्व, जो धातुओं के साथ लगभग पूरी तरह से आयनिक बंधन देता है। LiMO ₂ (*) की स्तरित संरचना सबसे आम है, और सभी विकासों को तीन उम्मीदवारों M = Co, Ni, Mn के आसपास कर्ल किया गया है और लगातार बहुत सस्ते Fe में देख रहे हैं ।

	फे	Mn	नी	सह
पृथ्वी की पपड़ी में सामग्री (पीपीएम)	50000	950	75	25
बाजार मूल्य ($ / किग्रा)	0.23	0.5	13	25
मैक इन एयर (mg / m 3 )	10	5	1	0.1
पानी में एमजी (मिलीग्राम / एल)	300	200	13.4	0.7

कोबाल्ट , एक बहुत के विपरीत, और एक बार कब्जा कर लिया ओलिंप यह अभी भी uzherzhivaet (90% कैथोड), लेकिन उच्च स्थिरता और साथ स्तरित संरचना की सटीकता के साथ 140 mAh की / जी की क्षमता LiCoO ₂ की वृद्धि हुई 160-170mAh / जी , वोल्टेज रेंज के विस्तार के कारण। लेकिन पृथ्वी के लिए दुर्लभता के कारण, सह बहुत महंगा है, और इसके शुद्ध रूप में इसका उपयोग केवल छोटी बैटरी में किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, फोन के लिए। 90% बाजार पर पहले, और आज भी सबसे अधिक कॉम्पैक्ट कैथोड का कब्जा है।
निकल १ ९ ० एम / जी / जी दिखा रहा है , लेकिन एक आशाजनक सामग्री बनी हुई है , लेकिन यह नी के लिए अपने शुद्ध रूप में बहुत कम स्थिर और इस तरह की एक स्तरित संरचना है।मौजूद नहीं है [5]। LiNiO ₂ से Li का निष्कर्षण LiCoO ₂ [3] की तुलना में लगभग 2 गुना अधिक गर्मी पैदा करता है , जो इस क्षेत्र में इसका उपयोग अस्वीकार्य बनाता है।
मैंगनीज । एक और अच्छी तरह से अध्ययन की गई संरचना है जिसका आविष्कार 1992 में हुआ था। जीन-मैरी टार्स्को [4], मैगनीज ऑक्साइड LiMn ₂ O ₄ के स्पिनल प्रकार का कैथोड : थोड़ी कम क्षमता पर, यह सामग्री LiCoO ₂ और LiNiO _{2 की} तुलना में बहुत सस्ती है।और बहुत अधिक विश्वसनीय। आज यह हाइब्रिड वाहनों के लिए एक अच्छा संस्करण है। हाल के घटनाक्रम कोबाल्ट के साथ निकल की मिश्र धातु के साथ जुड़े हुए हैं, जो इसके संरचनात्मक गुणों में काफी सुधार करता है। इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से निष्क्रिय Mg: LiNi _1-y Mg _y O _{2 के} साथ Ni के अलॉयनिंग के दौरान स्थिरता में एक महत्वपूर्ण सुधार भी नोट किया गया । कई लीमन _x O _2x मिश्र धातु ली-आयन कैथोड के लिए जाने जाते हैं ।
मूल समस्या यह है कि क्षमता कैसे बढ़ाई जाए। हम पहले से ही टिन और सिलिकॉन के उदाहरण पर देख चुके हैं कि क्षमता बढ़ाने का सबसे स्पष्ट तरीका आवधिक तालिका की यात्रा करना है, लेकिनदुर्भाग्य से, वर्तमान में इस्तेमाल की जाने वाली संक्रमण धातुओं (दाईं ओर) के ऊपर कुछ भी नहीं है। इसलिए, कैथोड से जुड़े हाल के वर्षों की सभी प्रगति आम तौर पर मौजूदा लोगों की कमियों को दूर करने से संबंधित है: स्थायित्व में वृद्धि, गुणवत्ता में सुधार, उनके संयोजनों का अध्ययन करना (चित्र। ऊपर बाएं)
लोहा । लिथियम-आयन युग की शुरुआत से, कैथोड में लोहे का उपयोग करने के लिए कई प्रयास किए गए, लेकिन सभी कोई फायदा नहीं हुआ। यद्यपि LiFeO ₂ एक आदर्श सस्ता और शक्तिशाली कैथोड होगा, यह दिखाया गया था [7] कि ली को सामान्य वोल्टेज रेंज [8] में संरचना से नहीं निकाला जा सकता है। इस स्थिति में ई / एक्स ओलीवाइन के गुणों के सिस-पालन के साथ, 1997 में नाटकीय रूप से बदल LiFePO ₄ । उच्च क्षमता ( 170 mAh / g)) एक लिथियम एनोड के साथ 3.4V और कई सौ चक्रों के बाद भी समाई में एक गंभीर गिरावट का अभाव। लंबे समय तक ओलिविन का मुख्य नुकसान खराब चालकता था, जिसने शक्ति को काफी सीमित कर दिया था। स्थिति को ठीक करने के लिए, क्लासिक चालें बनाई गईं (ग्रेफाइट के साथ लेपित) को ग्रेफाइट के साथ एक जेल का उपयोग करके 800 चक्रों के लिए 120mAh / g पर उच्च शक्ति प्राप्त करना संभव था । वास्तव में जबरदस्त प्रगति एनबी के डरावना डोपिंग द्वारा प्राप्त की गई थी, जिससे परिमाण के 8 आदेशों द्वारा चालकता बढ़ गई थी।
सब कुछ बताता है कि ओलिविन इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सबसे लोकप्रिय सामग्री बन जाएगा। LiFePO ₄ के अनन्य स्वामित्व के लिएA123 सिस्टम्स इंक। वर्षों से मुकदमेबाजी कर रहा है। और ब्लैक एंड डेकर कॉर्प, बिना यह विश्वास किए हुए कि वह इलेक्ट्रिक वाहनों का भविष्य है। आश्चर्यचकित न हों, लेकिन पेटेंट सभी कैथोड के एक ही कप्तान पर जारी किए जाते हैं - जॉन गुडेनफ।
ओलिविन ने सस्ती सामग्री का उपयोग करने की संभावना को साबित कर दिया और एक प्रकार के प्लैटिनम के माध्यम से टूट गया। इंजीनियरिंग ने सोचा कि गठित अंतरिक्ष में तुरंत पहुंचे। इसलिए, उदाहरण के लिए, फ्लोरोफोस्फेट के साथ सल्फेट्स के प्रतिस्थापन पर सक्रिय रूप से चर्चा की जा रही है, जो वोल्टेज को 0.8 V तक बढ़ा देगा। ऊर्जा और शक्ति को 22% बढ़ाएँ [9]।
यह हास्यास्पद है: जबकि ओलिविन का उपयोग करने के अधिकारों पर विवाद चल रहा है, मैं बहुत सारे नामी निर्माताओं के लिए एक नए कैथोड पर तत्वों की पेशकश कर रहा हूं,
निष्कर्ष पर वापस

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* ये सभी यौगिक केवल लिथियम के साथ मौजूद हैं। और तदनुसार, पहले से ही इसके साथ संतृप्त किया जाता है। इसलिए, जब उनके आधार पर बैटरी खरीदते हैं, तो आपको पहले एनोड पर लिथियम के भाग को ओवरटेक करके बैटरी को चार्ज करना होगा।
** लिथियम आयन बैटरी के कैथोड के विकास को समझते हुए, आप अनजाने में इसे दो दिग्गजों के द्वंद्वयुद्ध के रूप में महसूस करना शुरू कर देते हैं: जॉन गुडेनफ और जीन-मैरी टार्स्को। जबकि गुडेनाफ ने 1980 ( लीको ₂ ) में अपना पहला मुख्य रूप से सफल कैथोड का पेटेंट कराया , फिर डॉ। ट्रास्को ने बारह साल बाद ( एमएन ₂ ओ ₄ ) जवाब दिया । अमेरिकी की दूसरी मौलिक उपलब्धि 1997 में हुई ( LiFePO ₄₎), और पिछले एक दशक के मध्य में, फ्रांसीसी ने LiFeSO ₄ F को शुरू करके अपने विचारों का विस्तार किया है , और पूरी तरह से कार्बनिक इलेक्ट्रोड के उपयोग पर काम कर रहा है
[1] गुडएनफ, जेबी; मिज़ुचिमा, केयूएस पेटेंट 4,302,518, 1980.
[2] गुडएनफ , जेबी; मिजुशिमा, KUS पेटेंट 4,357,215, 1981.
[3] लिथियम-आयन बैटरियों विज्ञान और प्रौद्योगिकी। Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
[4] LiMn2 O4 इंटरकलेशन यौगिकों की तैयारी के लिए विधि और माध्यमिक लिथियम बैटरी में इसका उपयोग करते हैं। Barboux; फिलिप शोकोही; फ्राउट के।, टारास्कॉन; जीन-मैरी। बेल कम्युनिकेशंस रिसर्च, इंक। 1992 यूएस पेटेंट 5,135,732।
[५] लिथियम बैटरियों और कैथोड सामग्री। एम। स्टेनली व्हीथिंगम रसायन। रेव2004, 104, 4271–4301
[6] स्टोइचियोमेट्रिक टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड व्हिंगहैम के कैथोड के साथ रिचार्जेबल इलेक्ट्रोकेमिकल सेल; एम। स्टेनली। यूएस पेटेंट 4,084,046 1976
[7] कन्नो, आर; शिराने, टी; इनबा, वाई।; कवामोटो, YJ पावर स्रोत 1997, 68, 145।
[8] लिथियम बैटरी और कैथोड सामग्री। एम। स्टेनली व्हीथिंगम केम। रेव2004, 104, 4271–4301
[9] लिथियम आयन बैटरी के लिए 3.6 V लिथियम-आधारित फ्लूरोसुलफेट सम्मिलन सकारात्मक इलेक्ट्रोड। एन। रेचम 1, जेएन। Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 और JM। Tarascon। प्राकृतिक सामग्री नवंबर 2009।

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आवेदन

कैथोड की क्षमता को फिर से पदार्थ के वजन प्रति निकाले गए अधिकतम आवेश के रूप में परिभाषित किया जाता है, उदाहरण के लिए,
Li _1-x MO ₂ + Li ⁺ + e ^- ---> Li _x MO ₂ समूह।

उदाहरण के लिए, सह के लिए,

जब निष्कर्षण की डिग्री Li x = 0.5 होगी, पदार्थ की क्षमता होगी।

फिलहाल, विनिर्माण प्रक्रिया में सुधार ने निष्कर्षण की डिग्री बढ़ाने और 160mAh / g तक पहुंचने की अनुमति दी है
, लेकिन निश्चित रूप से, बाजार के अधिकांश पाउडर इन संकेतकों तक नहीं पहुंचते हैं

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.
. , , : , , , 1 kWh 387 kWh . , , (70-100 kg CO ₂1 kWh पर)। इसके अलावा, एक आधुनिक उपभोक्ता समाज में, वस्तुओं का उपयोग तब तक नहीं किया जाता है जब तक कि उनके संसाधन समाप्त नहीं हो जाते हैं। यही है, इस ऊर्जा ऋण को "चुकाना" करने का समय छोटा है, और आधुनिक बैटरी का निपटान एक महंगा और हमेशा सस्ती व्यायाम नहीं है। इस प्रकार, आधुनिक बैटरी की ऊर्जा दक्षता अभी भी सवाल [1] में है।
हाल ही में, कई उत्साहजनक जैव प्रौद्योगिकी प्रकट हुए हैं जो कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रोड को संश्लेषित करने की अनुमति देते हैं। ए। बेल्चर (वायरस), जे.एम. तारको (बैक्टीरिया का उपयोग)।

इस तरह के एक होनहार बायोमेट्रिक का एक उत्कृष्ट उदाहरण लिथो कार्बन है - ली ₂ सी ₆ ओ ₆(लिथियम रेडियोजेट) [2], जो प्रति सूत्र चार ली तक प्रतिवर्ती रूप से समायोजित करने की क्षमता रखता है, एक बड़ी गुरुत्वाकर्षण क्षमता दिखाती है, लेकिन चूंकि पुनर्स्थापना पाई बॉन्ड से जुड़ी है, थोड़ा कम क्षमता (2.4 वी)। अन्य एरोमैटिक रिंग्स [2] को सकारात्मक इलेक्ट्रोड [2] का आधार माना जाता है, साथ ही बैटरियों की एक महत्वपूर्ण राहत की सूचना भी दी जाती है।
किसी भी कार्बनिक यौगिकों का मुख्य "दोष" उनका कम घनत्व है, क्योंकि सभी कार्बनिक रसायन प्रकाश तत्वों C , H , O और N से संबंधित हैं।। यह समझने के लिए कि यह क्षेत्र कितना आशाजनक है, यह कहना पर्याप्त है कि ये पदार्थ सेब और मकई से प्राप्त किए जा सकते हैं, और आसानी से उपयोग और संसाधित भी होते हैं।
मोटर वाहन उद्योग के लिए लिथियम रेडियोजेट पहले से ही सबसे आशाजनक कैथोड माना जाएगा, यदि सीमित वर्तमान घनत्व (शक्ति) के लिए नहीं, और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सबसे अधिक आशाजनक है, यदि सामग्री के कम घनत्व (कम वॉल्यूम) क्षमता (छवि वाम) के लिए नहीं। इस बीच, यह काम के सबसे आशाजनक क्षेत्रों में से एक है।
वापस निष्कर्ष पर

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[१] उदाहरण के लिए, हाइब्रिड बनाम अव्यवस्था
[२] यासुशी मोरीता एट अल। नेचर मैट देखें। 10,947-951 (2011)

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बेशक, किसी चीज़ का वर्णन बहुत ही सतही रूप से किया जाता है, यह पूरी तरह से सही भी नहीं हो सकता है, लेकिन
सभी अंतर करने की संभावनाओं को रेखांकित करने के लिए पर्याप्त है।