लिथियम-आयन बैटरी के लिए नैनोआर्किटेक्चर

लिथियम आयन बैटरी के लिए नैनोआर्किटेक्चर, लिथियम-आयन बैटरी के डिज़ाइन को बेहतर बनाने के लिए नैनो तकनीक को नियोजित करने का प्रयास है। लिथियम-आयन बैटरी में अनुसंधान ऊर्जा घनत्व, ऊर्जा घनत्व, सुरक्षा, स्थायित्व और लागत में सुधार पर केंद्रित है।

ऊर्जा घनत्व
बढ़ी हुई ऊर्जा घनत्व में इलेक्ट्रोड से अधिक आयन डालने/निकालने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोड क्षमता की तुलना तीन अलग-अलग उपायों के माध्यम से की जाती है: द्रव्यमान की प्रति इकाई क्षमता (विशिष्ट ऊर्जा या गुरुत्वाकर्षण क्षमता के रूप में जाना जाता है), क्षमता प्रति इकाई मात्रा (वॉल्यूमेट्रिक क्षमता), और क्षेत्र-सामान्यीकृत विशिष्ट क्षमता (क्षेत्रीय क्षमता)।

बिजली घनत्व
अलग-अलग प्रयास बिजली घनत्व (चार्ज / डिस्चार्ज की दर) में सुधार पर ध्यान केंद्रित करते हैं। शक्ति घनत्व द्रव्यमान और आवेश परिवहन, इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक विद्युत चालकता और इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण कैनेटीक्स पर आधारित है; कम दूरी और अधिक सतह क्षेत्र के माध्यम से आसान परिवहन दरों में सुधार करता है।

एनोड
कार्बन एनोड पारंपरिक रूप से उपयोग किए जाते हैं क्योंकि अस्वीकार्य वॉल्यूमेट्रिक विस्तार के बिना लिथियम की अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) की क्षमता होती है। उत्तरार्द्ध बैटरी को नुकसान पहुंचाता है और चार्ज करने के लिए उपलब्ध लिथियम की मात्रा को कम करता है। कम किया गया अंतर्संबंध क्षमता को सीमित करता है। LiC के लिए कार्बन आधारित एनोड्स की गुरुत्वाकर्षण क्षमता 372 mAh/g है6. सिलिकॉन की विशिष्ट क्षमता कार्बन की तुलना में लगभग दस गुना अधिक है। Si की परमाणु त्रिज्या 1.46 एंगस्ट्रॉम है, जबकि Li की परमाणु त्रिज्या 2.05 एंग्स्ट्रॉम है। ली का गठन3.75सी महत्वपूर्ण वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का कारण बनता है, उत्तरोत्तर एनोड को नष्ट कर देता है। एनोड आर्किटेक्चर को नैनोस्केल में कम करने से लाभ मिलता है, जिसमें बेहतर चक्र जीवन और कम दरार प्रसार और विफलता शामिल है। एक प्रवाहकीय बाइंडर फिल्म के भीतर नैनोस्केल कण महत्वपूर्ण दोष आकार से नीचे हैं। परिवहन लंबाई (एनोड और कैथोड के बीच की दूरी) को कम करने से ओमिक नुकसान (प्रतिरोध) कम हो जाता है।

नैनोस्ट्रक्चरिंग सतह क्षेत्र को आयतन अनुपात में बढ़ाता है, जो विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय क्षेत्र में वृद्धि और परिवहन लंबाई में कमी के कारण ऊर्जा और शक्ति घनत्व दोनों में सुधार करता है। हालांकि, वृद्धि से इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच पार्श्व प्रतिक्रियाएं भी बढ़ जाती हैं, जिससे उच्च स्व-निर्वहन, कम चार्ज/डिस्चार्ज चक्र और कम कैलेंडर जीवन होता है। कुछ हालिया कार्य उन सामग्रियों को विकसित करने पर केंद्रित हैं जो उस सीमा के भीतर विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय हैं जहां इलेक्ट्रोलाइट अपघटन या इलेक्ट्रोलाइट/इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं नहीं होती हैं।

गैर-पारंपरिक आर्किटेक्चर
एक शोध अवधारणा प्रस्तावित की गई है, जिसमें लिथियम-आयन बैटरी के प्रमुख भाग, यानी एनोड, इलेक्ट्रोलाइट और कैथोड एक कार्यात्मक अणु में संयुक्त होते हैं। दो वर्तमान कलेक्टरों के बीच में रखे जाने की तुलना में लैंगमुइर-ब्लॉडगेट विधि के उपयोग से संरेखित ऐसे कार्यात्मक अणुओं की एक परत। व्यवहार्यता की अभी पुष्टि नहीं हुई है।

नैनोस्ट्रक्चर्ड आर्किटेक्चर
अधिकांश बैटरी डिज़ाइन द्वि-आयामी हैं और स्तरित निर्माण पर निर्भर हैं। हाल के शोध ने इलेक्ट्रोड को तीन आयामों में ले लिया है। यह बैटरी क्षमता में महत्वपूर्ण सुधार की अनुमति देता है; 2डी मोटी फिल्म इलेक्ट्रोड और 3डी व्यूह इलेक्ट्रोड के बीच क्षेत्र क्षमता में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।

त्रि-आयामी पतली-फिल्में
सॉलिड स्टेट बैटरियां पारंपरिक पतली-फिल्म बैटरियों के समान ज्यामिति का उपयोग करती हैं। त्रि-आयामी पतली-फिल्में विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय क्षेत्र को बढ़ाने के लिए तीसरे आयाम का उपयोग करती हैं। पतली फिल्म दो आयामी बैटरी 2-5 माइक्रोमीटर के बीच प्रतिबंधित हैं, जो कि तीन आयामी ज्यामिति की तुलना में काफी कम क्षेत्र क्षमता को सीमित करती हैं।

एक छिद्रित सब्सट्रेट का उपयोग करके आयाम बढ़ाया जाता है। वेध बनाने का एक तरीका सिलिकॉन पर आगमनात्मक युग्मित प्लाज्मा नक़्क़ाशी है। एक अन्य ने गहरी खाइयों को बनाने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल या प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी के माध्यम से एक सिलिकॉन सब्सट्रेट के अत्यधिक एनिस्ट्रोपिक नक़्क़ाशी का इस्तेमाल किया। एक बैटरी के लिए आवश्यक परतें, एक एनोड, विभाजक और कैथोड, फिर कम दबाव वाले रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा जोड़े गए। बैटरी में एक पतली सक्रिय सिलिकॉन परत होती है जो एक ठोस अवस्था इलेक्ट्रोलाइट द्वारा पतली कैथोडिक परत से अलग होती है। विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय क्षेत्र में 50 एनएम नैनोकण होते हैं, जो दरार प्रसार के लिए महत्वपूर्ण आकार से छोटे होते हैं।

इंटरडिजिटल इलेक्ट्रोड
एक अन्य वास्तुकला एनोडिक और कैथोडिक ध्रुवों का एक आवधिक समूह है। इस डिजाइन के लिए इलेक्ट्रोड पृथक्करण को कम करके शक्ति और ऊर्जा घनत्व को अधिकतम किया जाता है। एक जन्मजात गैर-समान वर्तमान घनत्व होता है और सेल की क्षमता को कम करता है, स्थिरता को कम करता है और सेल के भीतर गैर-समान ताप पैदा करता है। दो आयामी बैटरी के सापेक्ष लंबाई (एल) जिस पर परिवहन होना चाहिए, दो-तिहाई से कम हो जाता है, जो कैनेटीक्स में सुधार करता है और ओमिक हार को कम करता है। एल के अनुकूलन से क्षेत्रीय क्षमता में महत्वपूर्ण सुधार हो सकता है; 500 माइक्रोमीटर के आकार के पैमाने पर एक एल के परिणामस्वरूप तुलनीय दो आयामी बैटरी की क्षमता में 350% की वृद्धि होती है। हालांकि, एल साथ ओमिक नुकसान बढ़ता है, अंततः एल बढ़ने के माध्यम से प्राप्त वृद्धि को ऑफसेट करता है।

इस ज्यामिति के लिए, चार मुख्य डिजाइन प्रस्तावित किए गए थे: एनोड्स और कैथोड्स की पंक्तियां, वैकल्पिक एनोड्स और कैथोड्स, हेक्सागोनली पैक 1:2 एनोड्स: कैथोड्स, और वैकल्पिक एनोडिक और कैथोडिक त्रिकोणीय ध्रुव जहां पंक्ति में निकटतम पड़ोसियों को 180 डिग्री घुमाया जाता है।

पंक्ति डिजाइन में एक बड़ा, गैर-समान वर्तमान वितरण है। वैकल्पिक विद्युत ध्रुवता के इलेक्ट्रोड की उच्च संख्या को देखते हुए वैकल्पिक डिजाइन बेहतर एकरूपता प्रदर्शित करता है। एनोड या कैथोड वाले सिस्टम के लिए जो गैर-समान वर्तमान घनत्व के प्रति संवेदनशील है, कैथोड और एनोड की गैर-बराबर संख्या का उपयोग किया जा सकता है; 2:1 हेक्सागोनल डिजाइन एनोड पर एक समान वर्तमान घनत्व की अनुमति देता है लेकिन कैथोड पर एक गैर-समान वर्तमान वितरण। डंडे के आकार को बदलकर प्रदर्शन को बढ़ाया जा सकता है। त्रिकोणीय डिजाइन वर्तमान एकरूपता का त्याग करके सेल की क्षमता और शक्ति में सुधार करता है। एक समान प्रणाली डंडे के बजाय इंटरडिजिटल प्लेट्स का उपयोग करती है।

2013 में शोधकर्ताओं ने स्टैक्ड, इंटरडिजिटेड इलेक्ट्रोड बनाने के लिए योगात्मक विनिर्माण  का इस्तेमाल किया। बैटरी रेत के दाने से बड़ी नहीं थी। इस प्रक्रिया ने एनोड और कैथोड को पहले की तुलना में एक दूसरे के करीब रखा। एनोड के लिए स्याही एक लिथियम धातु ऑक्साइड यौगिक के नैनोकण थे, और दूसरे के नैनोकणों से कैथोड के लिए स्याही। प्रिंटर ने स्याही को दो सोने के कंघों के दांतों पर जमा किया, जिससे एनोड और कैथोड का एक इंटरलेस्ड स्टैक बन गया।

गाढ़ा इलेक्ट्रोड
संकेंद्रित सिलेंडर का डिज़ाइन इंटरडिजिटल पोल के समान है। असतत एनोड और कैथोड ध्रुवों के बजाय, एनोड या कैथोड को ध्रुव के रूप में रखा जाता है जो इलेक्ट्रोलाइट द्वारा लेपित होता है। अन्य इलेक्ट्रोड निरंतर चरण के रूप में कार्य करता है जिसमें एनोड/कैथोड रहता है। मुख्य लाभ यह है कि इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा कम हो जाती है, जिससे ऊर्जा घनत्व बढ़ जाता है। यह डिज़ाइन इंटरडिजिटल सिस्टम की तरह एक छोटी परिवहन दूरी को बनाए रखता है और इस प्रकार ओमिक लॉस को कम करते हुए चार्ज और मास ट्रांसपोर्ट के समान लाभ होता है।

उलटा ओपल
तीन आयामी आदेशित मैक्रोपोरस (3DOM) कार्बन एनोड बनाने के लिए गाढ़ा सिलेंडर पैक्ड पार्टिकल्स या क्लोज-पैक पॉलीमर का एक संस्करण। इस प्रणाली को कोलाइडल क्रिस्टल टेंपलेटिंग, इलेक्ट्रोकेमिकल थिन-फिल्म ग्रोथ और सॉफ्ट सोल-जेल केमिस्ट्री का उपयोग करके बनाया गया है। 3DOM सामग्रियों में नैनोमीटर मोटी दीवारों की एक अनूठी संरचना होती है जो आपस में जुड़े और बंद-पैक सब-माइक्रोमीटर वॉयड्स को घेरे रहती है। 3DOM संरचना को एक पतली बहुलक परत के साथ लेपित किया जाता है और फिर दूसरे संचालन चरण से भरा जाता है। यह विधि कम परिवहन लंबाई, उच्च आयनिक चालकता और उचित विद्युत चालकता वाली बैटरी की ओर ले जाती है। यह उन एडिटिव्स की आवश्यकता को दूर करता है जो विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में योगदान नहीं करते हैं। प्रारंभिक क्षमता को बढ़ाने के लिए टिन ऑक्साइड नैनोकणों के साथ कोटिंग करके प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है। कोटिंग समान मोटाई का उत्पादन करने के लिए 3DOM संरचना द्वारा गठित नेटवर्क में घुसपैठ करती है।

नैनोवायर और नैनोट्यूब
नैनोवायर और कार्बन नैनोट्यूब को विभिन्न बैटरी घटकों के साथ एकीकृत किया गया है। इस रुचि का कारण कम परिवहन लंबाई, गिरावट और भंडारण के प्रतिरोध के कारण है। कार्बन नैनोट्यूब (CNT) के लिए, लिथियम-आयन को बाहरी सतह पर, नैनोट्यूब के बीच अंतरालीय स्थलों में और ट्यूब के आंतरिक भाग में संग्रहित किया जा सकता है। एक अंतर्निहित प्रवाहकीय आवेश संग्राहक प्रदान करने और क्षमता बढ़ाने के लिए नैनोवायरों को एनोड/कैथोड मैट्रिक्स में शामिल किया गया है। नैनोवायरों को समाधान-आधारित विधि के माध्यम से शामिल किया गया था जो सक्रिय सामग्री को सब्सट्रेट पर मुद्रित करने की अनुमति देता है। एक अन्य दृष्टिकोण सीएनटी-सेलूलोज़ सम्मिश्र का उपयोग करता है। CNT को थर्मल-CVD द्वारा एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उगाया गया और फिर सेलूलोज़ में एम्बेड किया गया। अंत में सीएनटी से सेल्यूलोज के ऊपर एक लिथियम इलेक्ट्रोड जोड़ा जाता है। 2007 में सी नैनोवायर बैटरी को वाष्प-तरल ठोस विकास विधि द्वारा स्टील सब्सट्रेट पर बनाया गया था। इन नैनोवायरों ने सिलिकॉन के लिए सैद्धांतिक मूल्य के करीब प्रदर्शित किया और पहले से दूसरे चक्रों के बीच 20% की गिरावट के बाद केवल न्यूनतम लुप्त होती दिखाई दी। इस प्रदर्शन को सहज तनाव छूट के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है जो नैनोवायर के साथ वर्तमान कलेक्टर और कुशल 1डी इलेक्ट्रॉन परिवहन के साथ अच्छा संपर्क बनाए रखते हुए बड़े उपभेदों के आवास की अनुमति देता है।

एपेरियोडिक इलेक्ट्रोड
आवधिक संरचनाएं गैर-समान वर्तमान घनत्व की ओर ले जाती हैं जो कम दक्षता और स्थिरता को कम करती हैं। एपेरियोडिक संरचना आमतौर पर या तो aerogels या कुछ अधिक सघन एंबिगल्स से बनी होती है जो झरझरा एपेरियोडिक स्पंज बनाता है। एरोजेल और एंबिगेल गीले जैल से बनते हैं; एरोगल्स तब बनते हैं जब गीले जैल को ऐसे सुखाया जाता है कि कोई केशिका बल स्थापित नहीं होता है, जबकि एंबिगेल गीले जैल होते हैं जो केशिका बलों को कम करने वाली परिस्थितियों में सुखाए जाते हैं। एरोजेल और एंबीगल इस मायने में अद्वितीय हैं कि 75-99% सामग्री 'खुली' है, लेकिन एक ठोस द्वारा इंटरपेनेट्रेट किया गया है जो 10 एनएम के क्रम में है, जिसके परिणामस्वरूप 10 से 100 एनएम के क्रम में छिद्र होते हैं। ठोस सहसंयोजक नेटवर्क और समूह और सिंटरिंग के लिए प्रतिरोधी है। एपेरियोडिसिटी से परे, इन संरचनाओं का उपयोग किया जाता है क्योंकि झरझरा संरचना पूरे सामग्री में तेजी से प्रसार की अनुमति देती है, और झरझरा संरचना एक बड़ी प्रतिक्रिया सतह प्रदान करती है। अंबिजेल पर पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट की परत चढ़ाकर और फिर रिक्त स्थान को RuO2|RuO से भरकर निर्माण किया जाता है2कोलाइड्स जो एनोड के रूप में कार्य करते हैं।

अनुरूप कोटिंग्स
अधिकांश डिज़ाइन अर्ध-सेल प्रयोग थे; केवल एनोड या कैथोड का परीक्षण करना। चूंकि ज्यामितीय अधिक जटिल हो जाते हैं, इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के साथ डिजाइन को भरने के लिए गैर-लाइन-ऑफ-दृष्टि विधियां विपरीत चार्ज इलेक्ट्रोड की आपूर्ति करती हैं, यह आवश्यक है। इन बैटरियों को उनके प्रदर्शन और स्थिरता में सुधार के लिए विभिन्न सामग्रियों के साथ लेपित किया जा सकता है। हालांकि, रासायनिक और भौतिक विषमता आणविक-स्तर के नियंत्रण को एक महत्वपूर्ण चुनौती छोड़ देती है, खासकर जब से ऊर्जा भंडारण के लिए इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री दोष-सहिष्णु नहीं है।

परत-दर-परत (LbL)
परत दर परत दृष्टिकोण का उपयोग 3डी नैनोआर्किटेक्चर को कोट करने के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से एक आवेशित बहुलक को विपरीत रूप से आवेशित सतह से बाँधने से सतह पर बहुलक की परत चढ़ जाती है। विपरीत रूप से आवेशित बहुलक के बार-बार कदम एक अच्छी तरह से नियंत्रित मोटी परत का निर्माण करते हैं। इस विधि का उपयोग करके प्लानर सबस्ट्रेट्स पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट फिल्मों और इलेक्ट्रोएक्टिव पॉलिमर के अल्ट्राथिन (5 एनएम से कम) जमा किए गए हैं। हालाँकि, जटिल ज्यामिति के भीतर पॉलिमर के जमाव के साथ समस्याएँ मौजूद हैं, उदा। छिद्र, 50-300 एनएम के आकार के पैमाने पर, जिसके परिणामस्वरूप दोषपूर्ण कोटिंग्स होती हैं। एक संभावित समाधान स्व-सीमित दृष्टिकोणों का उपयोग करना है।

परमाणु परत जमाव (ALD)
कोटिंग के लिए एक अन्य दृष्टिकोण परमाणु परत जमाव है जो परमाणु सटीकता के साथ सब्सट्रेट परत-दर-परत को कोट करता है। सटीकता इसलिए है क्योंकि प्रतिक्रियाएं एक सक्रिय रासायनिक अंश (रसायन) युक्त सतह तक ही सीमित होती हैं जो एक अग्रदूत के साथ प्रतिक्रिया करती हैं; यह मोटाई को एक मोनोलेयर तक सीमित करता है। पूर्ण कोटिंग्स के लिए यह स्व-सीमित वृद्धि आवश्यक है क्योंकि निक्षेपण अन्य बहुलक इकाइयों द्वारा गैर-लेपित साइटों तक पहुंच को बाधित नहीं करता है। एलबीएल में विपरीत रूप से आवेशित पॉलिमर के साथ बारी-बारी से समान तरीके से साइकलिंग गैसों द्वारा मोटे नमूनों का उत्पादन किया जा सकता है। व्यवहार में ALD को वांछित कवरेज प्राप्त करने के लिए कुछ चक्रों की आवश्यकता हो सकती है और इसके परिणामस्वरूप विभिन्न आकारिकी जैसे द्वीप, पृथक क्रिस्टलीय या नैनोकण हो सकते हैं। आकृति विज्ञान विद्युत रासायनिक व्यवहार को बदल सकता है और इसलिए इसे सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए।

लिथियम और ऑक्सीजन के बीच प्रतिक्रियाशीलता बढ़ाने के लिए 3DOM कार्बन पर आयरन ऑक्साइड जमा करने के लिए भी ALD का उपयोग किया गया था। लोहे को तब पैलेडियम नैनोकणों के साथ लेपित किया गया था, जिसने ऑक्सीजन के साथ कार्बन की विनाशकारी प्रतिक्रिया को प्रभावी ढंग से कम किया और निर्वहन चक्र में सुधार किया। वांग ने कहा कि निष्कर्ष दिखाते हैं कि 3DOm कार्बन स्थिर होने पर नए प्रदर्शन मानकों को पूरा कर सकता है।

इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन
इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन एक पतली बहुलक फिल्म, 10 से 100 एनएम की आपूर्ति करता है। इंसुलेटिंग पॉलीमर के इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन से सेल्फ-लिमिटिंग डिपोजिशन होता है क्योंकि एक्टिव मोएटिटी सुरक्षित रहती है; यदि बहुलक घुलनशील मोनोमर को अवरुद्ध कर सकता है और निरंतर विकास को रोक सकता है, तो निक्षेपण स्वयं-सीमित भी हो सकता है। विद्युत रासायनिक चर के नियंत्रण के माध्यम से, पॉलीएनिलिन और पॉलीथियोफीन को नियंत्रित तरीके से जमा किया जा सकता है। स्टाइरीन, मिथाइल मेथाक्रायलेट, फिनोल और अन्य विद्युत इन्सुलेट पॉलिमर एक विभाजक के रूप में कार्य करने के लिए इलेक्ट्रोड पर जमा किए गए हैं जो आयनिक परिवहन की अनुमति देता है, लेकिन शॉर्ट्स को रोकने के लिए विद्युत परिवहन को रोकता है। मेसोपोरस मैंगनीज डाइऑक्साइड एंबिगेल्स को बहुलक की 7-9 एनएम फिल्मों द्वारा संरक्षित किया गया है, ताकि जलीय एसिड में मैंगनीज डाइऑक्साइड के विघटन से बचा जा सके। समान कोटिंग्स को मोनोमर समाधान द्वारा आर्किटेक्चर को गीला करने की आवश्यकता होती है; यह एक समाधान के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है जो झरझरा ठोस के समान सतह ऊर्जा प्रदर्शित करता है। जैसे-जैसे स्केल लगातार घटता जाता है और ठोस के माध्यम से परिवहन अधिक कठिन होता जाता है, कोटिंग की एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए पूर्व-संतुलन की आवश्यकता होती है।