ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിൻ്റെ അർത്ഥം?

◆ജലീയ ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ എന്തൊക്കെയാണ്?

◆സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ ആമുഖം

ഇലക്ട്രോലൈറ്റ്, ഒരു ഒഴിച്ചുകൂടാനാവാത്ത ഘടകംലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികൾ, ബാറ്ററിയുടെ ചാർജ്-ഡിസ്ചാർജ് സൈക്കിളുകളിൽ നിർണായക പങ്ക് വഹിക്കുന്നു.

ലിഥിയം അയോണുകളുടെ കാര്യക്ഷമമായ ഗതാഗതത്തിനും വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിൻ്റെ ചാലകത്തിനും ഇത് ഉത്തരവാദിയാണ്, മാത്രമല്ല പോസിറ്റീവ്, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡുകൾക്കിടയിൽ നേരിട്ടുള്ള ഇലക്ട്രോൺ പ്രവാഹം ഫലപ്രദമായി തടയുന്നതിന് ഇലക്ട്രോണിക് ഇൻസുലേഷൻ ഗുണങ്ങളും ഉണ്ട്. ആലങ്കാരികമായി പറഞ്ഞാൽ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഒരു ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററിക്കുള്ളിലെ "രക്തം" പോലെയാണ്, പോസിറ്റീവ്, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ തമ്മിലുള്ള കണക്റ്റിവിറ്റി ഉറപ്പാക്കുന്നു, അതുവഴി മുഴുവൻ ചാർജ്ജിൻ്റെ-വിസർജ്ജന പ്രക്രിയയുടെ സുഗമമായ പുരോഗതി ഉറപ്പുനൽകുന്നു.

ഒരു ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററിക്ക് അനുയോജ്യമായ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഇനിപ്പറയുന്ന അഞ്ച് ആവശ്യകതകൾ പാലിക്കണം:

ബാറ്ററി ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയ്ക്കും ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയ്ക്കും വേണ്ടിയുള്ള-വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ആവശ്യകതകൾക്കൊപ്പം, ബാറ്ററി സാങ്കേതികവിദ്യ അതിവേഗം വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു, കൂടാതെ ഇലക്ട്രോഡ് സാമഗ്രികൾ വളരെയധികം പുരോഗതി കൈവരിച്ചിട്ടുണ്ട്. നേരെമറിച്ച്, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് സിസ്റ്റങ്ങളുടെ വികസനം പിന്നിലാണ്. നിലവിൽ, ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകളുടെ വികസനത്തെ വിശാലമായി മൂന്ന് തരങ്ങളായി തരംതിരിക്കാം: ജലീയമല്ലാത്ത ലായക ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾ, ജലീയ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾ, സോളിഡ്{5}}ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ.

നോൺ-ജല ലായക ഇലക്ട്രോലൈറ്റ്

 

ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികളിലെ ജലീയമല്ലാത്ത സോൾവെൻ്റ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾ പ്രധാനമായും ലായകങ്ങൾ, ലായകങ്ങൾ (സാധാരണയായി ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ), അഡിറ്റീവുകൾ എന്നിവ അടങ്ങിയ വെള്ളം അടങ്ങിയിട്ടില്ലാത്ത ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് സിസ്റ്റങ്ങളെയാണ് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ജലത്തിൻ്റെ വൈദ്യുതവിശ്ലേഷണമോ ഇലക്ട്രോഡ് പദാർത്ഥങ്ങളുമായുള്ള പ്രതികൂല പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങളോ ഒഴിവാക്കാൻ ഈ-ജലമല്ലാത്ത ലായകങ്ങൾ സാധാരണയായി ജലീയ ലായകങ്ങളേക്കാൾ ജൈവ ലായകങ്ങളാണ്. ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ ലിഥിയം{5}}അയൺ ഗതാഗതത്തിനുള്ള പ്രാഥമിക വാഹകരാണ്, ലായകങ്ങൾ ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ പിരിച്ചുവിടാനും ചിതറിക്കാനും പിന്തുണയ്ക്കാനും സഹായിക്കുന്നു, കൂടാതെ ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളുടെ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രകടനമോ സുരക്ഷയോ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് അഡിറ്റീവുകൾ പ്രാഥമികമായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു.

ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന വാണിജ്യപരമായി ലഭ്യമായ ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ (അതായത്, ലിക്വിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ) പ്രാഥമികമായി രണ്ടോ അതിലധികമോ ഓർഗാനിക് ലായകങ്ങളിൽ ലയിപ്പിച്ച ഒന്നോ അതിലധികമോ ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ ചേർന്നതാണ്; ഒരൊറ്റ ലായകത്തിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ വളരെ വിരളമാണ്. ഒന്നിലധികം ലായകങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുന്നതിനുള്ള കാരണം, യഥാർത്ഥ-ലോക ബാറ്ററികൾക്ക് വ്യത്യസ്തവും വൈരുദ്ധ്യാത്മകവുമായ ആവശ്യകതകൾ ഉണ്ട്, അവ ഒരൊറ്റ ലായനി ഉപയോഗിച്ച് നിറവേറ്റാൻ പ്രയാസമാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകൾക്ക് ഉയർന്ന ദ്രവ്യത ആവശ്യമായി വന്നേക്കാം, അതേസമയം ഉയർന്ന വൈദ്യുത സ്ഥിരാങ്കം ഉണ്ടായിരിക്കും; അതിനാൽ, വ്യത്യസ്ത ഭൗതിക രാസ ഗുണങ്ങളുള്ള ലായകങ്ങൾ പലപ്പോഴും സംയോജിതമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഒരേസമയം വ്യത്യസ്ത സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു. കൂടാതെ, ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ സാധാരണയായി ഒരേസമയം ഉപയോഗിക്കാറില്ല, കാരണം ലിഥിയം ലവണങ്ങളുടെ തിരഞ്ഞെടുപ്പ് പരിമിതമാണ്, മാത്രമല്ല അവയുടെ ഗുണങ്ങൾ എളുപ്പത്തിൽ പ്രകടമാകില്ല.

അനുയോജ്യമായ ഓർഗാനിക് ലായകങ്ങൾക്ക് ഇനിപ്പറയുന്ന പ്രധാന ഗുണങ്ങൾ ഉണ്ടായിരിക്കണം: ആദ്യം, ലിഥിയം ലവണങ്ങളുടെ നല്ല പിരിച്ചുവിടൽ ഉറപ്പാക്കാൻ അവയ്ക്ക് ഉയർന്ന വൈദ്യുത സ്ഥിരാങ്കം ആവശ്യമാണ്; രണ്ടാമതായി, ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൻ്റെ പ്രവർത്തന താപനില പരിധി വിശാലമാക്കുന്നതിന് അവയ്ക്ക് കുറഞ്ഞ ദ്രവണാങ്കവും ഉയർന്ന തിളപ്പിക്കൽ പോയിൻ്റും ഉണ്ടായിരിക്കണം; മൂന്നാമതായി, കുറഞ്ഞ വിസ്കോസിറ്റി മാധ്യമത്തിൽ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ കാര്യക്ഷമമായ മൈഗ്രേഷൻ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നതിന് സഹായിക്കുന്നു; അവസാനമായി, ഈ ലായകങ്ങൾ വിലകുറഞ്ഞതും കുറഞ്ഞ വിഷാംശം ഉള്ളതുമായിരിക്കണം (ഏറ്റവും-വിഷരഹിതം). കാർബണേറ്റ് സംയുക്തങ്ങൾ, ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററി വ്യവസായത്തിലെ ആദ്യകാലവും ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നതുമായ ഓർഗാനിക് ലായകങ്ങളിൽ ഒന്നാണ്, ബാറ്ററി ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ മേഖലയിൽ നിർണായക സ്ഥാനം വഹിക്കുന്നു.

നിലവിൽ, ഇത്തരത്തിലുള്ള ലായകത്തിൽ പ്രധാനമായും രണ്ട് ഘടനാപരമായ രൂപങ്ങൾ ഉൾപ്പെടുന്നു: ചാക്രികവും ചെയിൻ. താഴെയുള്ള പട്ടിക സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന നിരവധി-ജലീയമല്ലാത്ത ലായകങ്ങൾ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ, ഓർഗാനിക് ലായകങ്ങൾ എന്നിവയുടെ പ്രസക്തമായ ഭൗതിക പാരാമീറ്ററുകൾ സംഗ്രഹിക്കുന്നു.

നിലവിൽ, ആൽക്കൈൽ കാർബണേറ്റ് ലായകങ്ങൾ ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഈ ലായകങ്ങൾക്ക് നല്ല ഓക്സിഡേഷൻ പ്രതിരോധമുണ്ട്, ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് സാഹചര്യങ്ങളിൽ മികച്ച സ്ഥിരത പ്രകടമാക്കുന്നു. എഥിലീൻ കാർബണേറ്റ്, പ്രൊപിലീൻ കാർബണേറ്റ് തുടങ്ങിയ ചാക്രിക കാർബണേറ്റുകൾ അവയുടെ ഉയർന്ന വൈദ്യുത സ്ഥിരാങ്കങ്ങൾക്ക് പേരുകേട്ടതാണ്, അതായത് ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ കൂടുതൽ ഫലപ്രദമായി ലയിപ്പിക്കാൻ അവയ്ക്ക് കഴിയും; എന്നിരുന്നാലും, ശക്തമായ ഇൻ്റർമോളിക്യുലാർ ശക്തികൾ കാരണം, ഈ ലായകങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന വിസ്കോസിറ്റി ഉണ്ട്, ഇത് അവയ്ക്കുള്ളിലെ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ ചലനത്തെ മന്ദഗതിയിലാക്കുന്നു. നേരെമറിച്ച്, ഡൈമെഥൈൽ കാർബണേറ്റ്, ഡൈതൈൽ കാർബണേറ്റ് തുടങ്ങിയ ചെയിൻ കാർബണേറ്റുകൾക്ക്, കുറഞ്ഞ വിസ്കോസിറ്റി ഉള്ളപ്പോൾ, താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ വൈദ്യുത സ്ഥിരാങ്കങ്ങളുമുണ്ട്, ഇത് ലിഥിയം ലവണങ്ങൾക്ക് താരതമ്യേന മോശം ഡിസോല്യൂഷൻ കാര്യക്ഷമത നൽകുന്നു. അതിനാൽ, മികച്ച അയോണിക് ചാലകതയുള്ള പരിഹാര സംവിധാനങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിനായി, പിസി+ഡിഇസി അല്ലെങ്കിൽ ഇസി+ഡിഎംസി കോമ്പിനേഷനുകൾ പോലെയുള്ള വിവിധ തരം ലായകങ്ങൾ പലപ്പോഴും മിക്സഡ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിലെ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ ഉറവിടം എന്ന നിലയിൽ ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ, ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികൾ ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ലിഥിയം അയോൺ ഗതാഗതത്തിൽ ഒരു പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, പവർ ഡെൻസിറ്റി, ഓപ്പറേറ്റിംഗ് വോൾട്ടേജ് ശ്രേണി, സൈക്കിൾ ലൈഫ്, സുരക്ഷ എന്നിവയുൾപ്പെടെ ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളുടെ പല വശങ്ങളെയും അവയുടെ പ്രകടനം നേരിട്ട് ബാധിക്കുന്നു. നിലവിൽ, ലബോറട്ടറി ഗവേഷണത്തിലും വ്യാവസായിക പരിശീലനത്തിലും, വലിയ അയോണിക് ആരങ്ങളും ഉയർന്ന റെഡോക്സ് സ്ഥിരതയും ഉള്ള ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ സാധാരണയായി തിരഞ്ഞെടുക്കപ്പെടുന്നു. അവയുടെ രാസഘടനയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ലിഥിയം ലവണങ്ങളെ രണ്ട് വിഭാഗങ്ങളായി തരംതിരിക്കാം: അജൈവ ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ, ഓർഗാനിക് ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ. LiPF6, LiClO4, LIBF, LIASF എന്നിവയുൾപ്പെടെ നിരവധി അജൈവ ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്. ഇതിനു വിപരീതമായി, ലിഥിയം{17}}അയോൺ ബാറ്ററികളിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഓർഗാനിക് ലിഥിയം ലവണങ്ങൾ, ലിഥിയം ഡയോക്‌സലാറ്റോ-ബോറേറ്റ് (LiBOB), ലിഥിയം ഡിഫ്‌ലൂറോക്‌സാലേറ്റ് (ലിഥിയം ഡിഫ്‌ലൂറോക്‌സാലറ്റോ{20}ഓബോർബി),{20}ലിഥിയം ഓബോറേറ്റ്,{20}ഓക്‌സാലറ്റോ}, അജൈവ ലിഥിയം ലവണങ്ങളുടെ അയോണുകളിലേക്ക് ഇലക്‌ട്രോൺ{18}}പിൻവലിക്കൽ ഗ്രൂപ്പുകൾ ചേർത്ത് രൂപപ്പെടുത്തിയതാണ്. difluorosulfonylimide (LiFSI), ലിഥിയം ditrifluoromethylsulfonylimide (LTFSI).ചുവടെയുള്ള പട്ടിക ലിഥിയം{22}}അയൺ ബാറ്ററികളിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന നിരവധി ലിഥിയം ലവണങ്ങളുടെ പ്രസക്തമായ ഭൗതിക രാസ ഗുണങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു.

അഡിറ്റീവുകൾ എന്നത് കുറഞ്ഞ സാന്ദ്രതയിൽ (സാധാരണയായി പിണ്ഡം കൊണ്ട് 10% ൽ കൂടരുത്) ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലേക്ക് ചേർക്കുന്ന പദാർത്ഥങ്ങളാണ്, അവയ്ക്ക് പ്രത്യേക പ്രവർത്തനങ്ങൾ ഉണ്ട്, ബാറ്ററിയുടെ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്താൻ കഴിയും. അവയുടെ പ്രവർത്തനങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ഈ അഡിറ്റീവുകളെ വിശാലമായി പല വിഭാഗങ്ങളായി തരംതിരിക്കാം: ഫിലിം-ഫോർമിംഗ് അഡിറ്റീവുകൾ, ഫ്ലേം റിട്ടാർഡൻ്റുകൾ, അമിത ചാർജിംഗ് തടയുന്നതിനുള്ള അഡിറ്റീവുകൾ. കൂടാതെ, ചാലകത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും കുറഞ്ഞ-താപനിലയിൽ പ്രകടനം ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിനും അല്ലെങ്കിൽ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ലായനിയിലെ ട്രെയ്സ് അളവുകളും HF സാന്ദ്രതകളും നിയന്ത്രിക്കുന്നതിനോ അഡിറ്റീവുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.