लिथियम-आयन बॅटरी किंवा ली-आयन बॅटरी (एलआयबी म्हणून संक्षिप्त) ही रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरीचा एक प्रकार आहे.लिथियम-आयन बॅटरी सामान्यतः पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स आणि इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी वापरल्या जातात आणि लष्करी आणि एरोस्पेस अनुप्रयोगांसाठी लोकप्रियता वाढत आहेत.1970-1980 च्या दशकात जॉन गुडइनफ, एम. स्टॅनले व्हिटिंगहॅम, रॅचिड याझामी आणि कोइची मिझुशिमा यांच्या पूर्वीच्या संशोधनावर आधारित, अकिरा योशिनो यांनी 1985 मध्ये एक प्रोटोटाइप ली-आयन बॅटरी विकसित केली होती आणि नंतर व्यावसायिक ली-आयन बॅटरी विकसित केली गेली. 1991 मध्ये योशिओ निशी यांच्या नेतृत्वाखाली सोनी आणि Asahi Kasei टीम. 2019 मध्ये, "लिथियम आयन बॅटरीच्या विकासासाठी" योशिनो, गुडनफ आणि व्हिटिंगहॅम यांना रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक देण्यात आले.

बॅटरीमध्ये, लिथियम आयन डिस्चार्ज दरम्यान नकारात्मक इलेक्ट्रोडमधून इलेक्ट्रोलाइटद्वारे सकारात्मक इलेक्ट्रोडकडे जातात आणि चार्ज करताना परत जातात.ली-आयन बॅटरी पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडवर मटेरियल म्हणून इंटरकॅलेटेड लिथियम कंपाऊंड वापरतात आणि विशेषत: नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर ग्रेफाइट.बॅटरीमध्ये ऊर्जेची घनता जास्त असते, मेमरी प्रभाव नसतो (LFP सेल व्यतिरिक्त) आणि कमी सेल्फ-डिस्चार्ज.तथापि ते सुरक्षिततेला धोका असू शकतात कारण त्यामध्ये ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट्स असतात आणि जर नुकसान झाले किंवा चुकीचे चार्ज केले तर स्फोट आणि आग होऊ शकते.लिथियम-आयन आगीनंतर सॅमसंगला गॅलेक्सी नोट 7 हँडसेट परत मागवण्यास भाग पाडले गेले आणि बोईंग 787s वर बॅटरीचा समावेश असलेल्या अनेक घटना घडल्या आहेत.

रसायनशास्त्र, कार्यप्रदर्शन, किंमत आणि सुरक्षितता वैशिष्ट्ये LIB प्रकारांमध्ये भिन्न असतात.हँडहेल्ड इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LiCoO2) सह लिथियम पॉलिमर बॅटरी (इलेक्ट्रोलाइट म्हणून पॉलिमर जेलसह) कॅथोड सामग्री म्हणून वापरतात, जी उच्च ऊर्जा घनता देते, परंतु विशेषत: नुकसान झाल्यास सुरक्षितता धोके सादर करते.लिथियम आयर्न फॉस्फेट (LiFePO4), लिथियम मॅंगनीज ऑक्साईड (LiMn2O4, Li2MnO3, किंवा LMO), आणि लिथियम निकेल मॅंगनीज कोबाल्ट ऑक्साईड (LiNiMnCoO2 किंवा NMC) कमी ऊर्जा घनता देतात परंतु जास्त काळ जगतात आणि आग किंवा स्फोट होण्याची शक्यता कमी असते.अशा बॅटरी इलेक्ट्रिक टूल्स, वैद्यकीय उपकरणे आणि इतर भूमिकांसाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जातात.एनएमसी आणि त्याचे डेरिव्हेटिव्ह्ज इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.

लिथियम-आयन बॅटरीसाठी संशोधन क्षेत्रांमध्ये आयुष्य वाढवणे, ऊर्जा घनता वाढवणे, सुरक्षितता सुधारणे, खर्च कमी करणे आणि चार्जिंगचा वेग वाढवणे यांचा समावेश होतो.विशिष्ट इलेक्ट्रोलाइटमध्ये वापरल्या जाणार्‍या सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सच्या ज्वलनशीलता आणि अस्थिरतेवर आधारित सुरक्षितता वाढविण्याचा मार्ग म्हणून ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट्सच्या क्षेत्रात संशोधन चालू आहे.रणनीतींमध्ये जलीय लिथियम-आयन बॅटरी, सिरॅमिक सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स, आयनिक लिक्विड्स आणि भारी फ्लोरिनेटेड सिस्टम समाविष्ट आहेत.

बॅटरी विरुद्ध सेल

सेल एक मूलभूत इलेक्ट्रोकेमिकल युनिट आहे ज्यामध्ये इलेक्ट्रोड्स, सेपरेटर आणि इलेक्ट्रोलाइट असतात.

बॅटरी किंवा बॅटरी पॅक हा सेल किंवा सेल असेंब्लीचा संग्रह आहे, ज्यामध्ये गृहनिर्माण, विद्युत कनेक्शन आणि नियंत्रण आणि संरक्षणासाठी शक्यतो इलेक्ट्रॉनिक्स असतात.

एनोड आणि कॅथोड इलेक्ट्रोड
रिचार्ज करण्यायोग्य पेशींसाठी, एनोड (किंवा नकारात्मक इलेक्ट्रोड) हा शब्द डिस्चार्ज सायकल दरम्यान ऑक्सिडेशन होत असलेल्या इलेक्ट्रोडला नियुक्त करतो;दुसरा इलेक्ट्रोड कॅथोड (किंवा सकारात्मक इलेक्ट्रोड) आहे.चार्ज सायकल दरम्यान, सकारात्मक इलेक्ट्रोड एनोड बनतो आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड कॅथोड बनतो.बहुतेक लिथियम-आयन पेशींसाठी, लिथियम-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड हे सकारात्मक इलेक्ट्रोड आहे;टायटॅनेट लिथियम-आयन पेशी (LTO) साठी, लिथियम-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड हे ऋण इलेक्ट्रोड आहे.

इतिहास

पार्श्वभूमी

Varta लिथियम-आयन बॅटरी, संग्रहालय ऑटोव्हिजन, Altlussheim, जर्मनी
लिथियम बॅटरीचा प्रस्ताव ब्रिटीश रसायनशास्त्रज्ञ आणि 2019 च्या रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिकाचा सह-प्राप्तकर्ता एम. स्टॅनली व्हिटिंगहॅम, आता बिंगहॅम्टन विद्यापीठात आहे, 1970 मध्ये Exxon साठी काम करत असताना.व्हिटिंगहॅमने इलेक्ट्रोड म्हणून टायटॅनियम (IV) सल्फाइड आणि लिथियम धातूचा वापर केला.तथापि, ही रीचार्ज करण्यायोग्य लिथियम बॅटरी कधीही व्यावहारिक बनविली जाऊ शकली नाही.टायटॅनियम डायसल्फाईड ही एक खराब निवड होती, कारण ते पूर्णपणे सीलबंद परिस्थितीत संश्लेषित केले जावे लागते, तसेच ते खूपच महाग होते (1970 च्या दशकात टायटॅनियम डायसल्फाइड कच्च्या मालासाठी ~$1,000 प्रति किलोग्रॅम).हवेच्या संपर्कात असताना, टायटॅनियम डायसल्फाइड हायड्रोजन सल्फाइड संयुगे तयार करण्यासाठी प्रतिक्रिया देते, ज्याला अप्रिय गंध असतो आणि बहुतेक प्राण्यांसाठी ते विषारी असतात.यासाठी आणि इतर कारणांमुळे, एक्सॉनने व्हिटिंगहॅमच्या लिथियम-टायटॅनियम डायसल्फाइड बॅटरीचा विकास बंद केला.[28]मेटॅलिक लिथियम इलेक्ट्रोड असलेल्या बॅटर्यांनी सुरक्षिततेच्या समस्या मांडल्या, कारण लिथियम धातू पाण्याशी प्रतिक्रिया देते, ज्वलनशील हायड्रोजन वायू सोडते.परिणामी, संशोधन बॅटरी विकसित करण्यासाठी हलविले गेले ज्यामध्ये, लिथियम आयन स्वीकारण्यास आणि सोडण्यास सक्षम असलेल्या, धातूच्या लिथियमऐवजी, फक्त लिथियम संयुगे उपस्थित असतात.

1974-76 दरम्यान TU म्युनिच येथे JO बेसनहार्ड यांनी ग्रेफाइटमधील उलट करता येण्याजोगे इंटरकॅलेशन आणि कॅथोडिक ऑक्साईडमध्ये आंतरकलेचा शोध लावला.बेसनहार्डने लिथियम पेशींमध्ये त्याचा वापर प्रस्तावित केला.इलेक्ट्रोलाइटचे विघटन आणि ग्रेफाइटमध्ये सॉल्व्हेंट को-इंटरकॅलेशन हे बॅटरीच्या आयुष्यासाठी गंभीर प्रारंभिक कमतरता होते.

विकास

1973 - अॅडम हेलरने लिथियम थायोनिल क्लोराईड बॅटरी प्रस्तावित केली, जी अजूनही प्रत्यारोपित वैद्यकीय उपकरणांमध्ये आणि संरक्षण प्रणालींमध्ये वापरली जाते जिथे 20 वर्षांपेक्षा जास्त शेल्फ लाइफ, उच्च ऊर्जा घनता आणि/किंवा अत्यंत ऑपरेटिंग तापमानासाठी सहनशीलता आवश्यक आहे.
1977 - समर बसू यांनी पेनसिल्व्हेनिया विद्यापीठात लिथियमच्या ग्रेफाइटमधील इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरकॅलेशनचे प्रात्यक्षिक केले.यामुळे लिथियम मेटल इलेक्ट्रोड बॅटरीला पर्याय देण्यासाठी बेल लॅब्स (LiC6) येथे कार्यक्षम लिथियम इंटरकॅलेटेड ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडचा विकास झाला.
1979 - नेड ए. गॉडशाल एट अल. आणि त्यानंतर लवकरच जॉन बी. गुडनफ (ऑक्सफर्ड युनिव्हर्सिटी) आणि कोइची मिझुशिमा (टोक्यो युनिव्हर्सिटी) यांनी वेगळ्या गटांमध्ये काम करताना, लिथियम वापरून 4 व्ही श्रेणीतील व्होल्टेजसह रिचार्ज करण्यायोग्य लिथियम सेलचे प्रात्यक्षिक केले. कोबाल्ट डायऑक्साइड (LiCoO2) सकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून आणि लिथियम धातू नकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून.या नवकल्पनाने सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री प्रदान केली ज्यामुळे सुरुवातीच्या व्यावसायिक लिथियम बॅटरी सक्षम झाल्या.LiCoO2 ही एक स्थिर सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री आहे जी लिथियम आयनचा दाता म्हणून कार्य करते, याचा अर्थ लिथियम धातूव्यतिरिक्त ते नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीसह वापरले जाऊ शकते.स्थिर आणि हाताळण्यास सुलभ नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीचा वापर सक्षम करून, LiCoO2 ने नवीन रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरी सिस्टम सक्षम केली.गॉडशेल वगैरे.स्पिनल LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, आणि LiFe5O4 (आणि नंतर लिथियम-कॉपर-ऑक्साइड आणि लिथियम-निकेल-ऑक्साइड कॅथोड मटेरियल) यांसारख्या टर्नरी कंपाऊंड लिथियम-ट्रान्झिशन मेटल-ऑक्साइडचे समान मूल्य ओळखले.
1980 - रॅचिड याझामीने ग्रेफाइटमधील लिथियमचे उलट करता येण्याजोगे इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरकॅलेशनचे प्रात्यक्षिक केले आणि लिथियम ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड (एनोड) चा शोध लावला.त्यावेळी उपलब्ध असलेले सेंद्रिय इलेक्ट्रोलाइट्स ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोडसह चार्जिंग दरम्यान विघटित होतील.इलेक्ट्रोकेमिकल मेकॅनिझमद्वारे लिथियम ग्रेफाइटमध्ये उलटे उलगडले जाऊ शकते हे दाखवण्यासाठी याझामीने घन इलेक्ट्रोलाइटचा वापर केला.2011 पर्यंत, याझामीचे ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड हे व्यावसायिक लिथियम-आयन बॅटरियांमध्ये सर्वाधिक वापरले जाणारे इलेक्ट्रोड होते.
नकारात्मक इलेक्ट्रोडचा उगम PAS (पॉलीसेनिक सेमीकंडक्टिव्ह मटेरियल) मध्ये आहे जो टोकियो यामाबे आणि नंतर 1980 च्या दशकाच्या सुरुवातीस शज्जुकुनी याटा यांनी शोधला होता.या तंत्रज्ञानाचे बीज म्हणजे प्रोफेसर हिडेकी शिरकावा आणि त्यांच्या गटाने कंडक्टिव्ह पॉलिमरचा शोध लावला आणि अॅलन मॅकडायर्मिड आणि अॅलन जे. हीगर इत्यादींनी विकसित केलेल्या पॉलिएसिटिलीन लिथियम आयन बॅटरीपासून ते सुरू झाले असे देखील दिसून येते.
1982 - गॉडशेल आणि इतर.गॉडशॉलच्या स्टॅनफोर्ड युनिव्हर्सिटी पीएच.डी.वर आधारित लिथियम बॅटरीजमध्ये LiCoO2 चा कॅथोड म्हणून वापर केल्याबद्दल यूएस पेटंट 4,340,652 प्रदान करण्यात आले.प्रबंध आणि 1979 प्रकाशने.
1983 - मायकेल एम. ठाकरे, पीटर ब्रुस, विल्यम डेव्हिड आणि जॉन गुडइनफ यांनी लिथियम-आयन बॅटरीसाठी व्यावसायिकदृष्ट्या संबंधित चार्ज केलेले कॅथोड सामग्री म्हणून मॅंगनीज स्पिनल विकसित केले.
1985 - अकिरा योशिनोने कार्बनी पदार्थाचा वापर करून प्रोटोटाइप सेल एकत्र केला ज्यामध्ये लिथियम आयन एक इलेक्ट्रोड म्हणून आणि लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LiCoO2) दुसरा म्हणून घातला जाऊ शकतो.यामुळे सुरक्षितता लक्षणीयरीत्या सुधारली.LiCoO2 ने औद्योगिक प्रमाणात उत्पादन सक्षम केले आणि व्यावसायिक लिथियम-आयन बॅटरी सक्षम केली.
1989 - अरुमुगम मंथिराम आणि जॉन बी. गुडइनफ यांनी कॅथोड्सचा पॉलिनियन वर्ग शोधला.त्यांनी दाखवले की पॉलीअनियन्स असलेले पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड, उदा., सल्फेट्स, पॉलिनियनच्या प्रेरक प्रभावामुळे ऑक्साईडपेक्षा जास्त व्होल्टेज तयार करतात.या पॉलिनियन वर्गात लिथियम आयर्न फॉस्फेट सारखे पदार्थ असतात.

< सुरु ठेवण्यासाठी...>