लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड

लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (संक्षेप में NMC, Li-NMC, LNMC, या NCM) सामान्य सूत्र LiNixMnyCo1-x-yO2 के साथ लिथियम, निकल, मैंगनीज और कोबाल्ट के मिश्रित धातु ऑक्साइड हैं। इन पदार्थों का उपयोग सामान्यतः मोबाइल उपकरणों और विद्युतीय वाहनों के लिए लिथियम आयन बैटरी में किया जाता है, जो धनात्मक आवेश कैथोड के रूप में कार्य करते हैं। पदार्थ की उच्च ऊर्जा घनत्व और संचालित वोल्टेज की कारण से विद्युत् वाहन अनुप्रयोगों के लिए NMC को अनुकूलित करने में विशेष रुचि है। कोबाल्ट खनन और धातु की उच्च लागत के साथ नैतिक विषय के कारण NMC में कोबाल्ट पदार्थ को कम करना भी एक उपस्थिता लक्ष्य है। इसके अतिरिक्त, बढ़ी हुई निकेल पदार्थ स्थिर संचालन विंडो के अंतर्गत अधिक क्षमता प्रदान करती है।

संरचना
अंतिम सदस्यों LiCoO2, LiMnO2, और LiNiO2 के बीच एक ठोस समाधान चरण आरेख में बिंदु स्टोइकोमेट्रिक NMC कैथोड का प्रतिनिधित्व करते हैं। NMC संक्षिप्त नाम के ठीक बाद के तीन नंबर तीन परिभाषित धातुओं के सापेक्ष रससमीकरणमिति को दर्शाते हैं। उदाहरण के लिए, 33% निकल, 33% मैंगनीज, और 33% कोबाल्ट की NMC मोलर संरचना संक्षेप में NMC111 (NMC333 या एनसीएम333 भी) होगी और इसका रासायनिक सूत्र LiNi 0.33Mn0.33Co 0.33O2 होगा। 50% निकल, 30% मैंगनीज, और 20% कोबाल्ट की संरचना को NMC532 (या NCM523) कहा जाएगा और इसका सूत्र LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 होगा। अन्य सामान्य रचनाएँ NMC622 और NMC811 हैं। सामान्य लिथियम पदार्थ सामान्यतः कुल संक्रमण धातु पदार्थ के साथ 1:1 के आसपास रहती है, वाणिज्यिक NMC नमूनों में सामान्यतः 5% से कम अतिरिक्त लिथियम होता है।

NMC111 के लिए, आवेश वितरण के लिए आदर्श ऑक्सीकरण अवस्थाएँ Mn4+, Co3+ और Ni2+ हैं। आवेशन की स्थिति में कोबाल्ट और निकल आंशिक रूप से Co4+ और Ni4+ में ऑक्सीकरण करते हैं, जबकि Mn4+ निष्क्रिय रहता है और संरचनात्मक स्थिरता बनाए रखता है। संक्रमण धातु स्टोइकोमेट्री को संशोधित करने से पदार्थ के गुण बदल जाते हैं, जिससे कैथोड प्रदर्शन को समायोजित करने का एक विधि  मिलती है। सबसे विशेष रूप से, NMC में निकेल पदार्थ बढ़ने से इसकी प्रारंभिक निर्वहन क्षमता बढ़ जाती है, लेकिन इसकी तापीय स्थिरता और क्षमता प्रतिधारण कम हो जाती है। कोबाल्ट पदार्थ बढ़ाने से उच्च-ऊर्जा निकल या रासायनिक रूप से स्थिर मैंगनीज को बदलने की लागत आती है जबकि यह महंगा भी है। पूरी तरह डिस्चार्ज (अवतारण) होने पर 300 डिग्री सेल्सियस पर धातु ऑक्साइड से ऑक्सीजन उत्पन्न हो सकती है, जिससे जाली ख़राब हो जाती है। उच्च निकेल पदार्थ ऑक्सीजन उत्पादन तापमान को कम करती है जबकि बैटरी संचालन के दौरान ऊष्मा उत्पादन को भी बढ़ाती है। धनायन मिश्रण, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें Li+ जाली में Ni2+ आयनों का स्थानापन्न करता है, जैसे-जैसे निकल की सांद्रता बढ़ती है, वैसे-वैसे बढ़ती है। Ni2+ (0.69 Å) और Li+ (0.76 Å) का समान आकार धनायन मिश्रण को सुविधाजनक बनाता है। स्तरित संरचना से निकेल को विस्थापित करने से पदार्थ की बॉन्डिंग विशेषताओं में परिवर्तन हो सकता है, अवांछित चरण बन सकते हैं और इसकी क्षमता कम हो सकती है।

NMC पदार्थों में व्यक्तिगत धातु ऑक्साइड यौगिकों लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2) और लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn2O4) के समान स्तरित संरचनाएं होती हैं। डिस्चार्ज होने पर लिथियम आयन परतों के बीच आपस में जुड़ जाते हैं, बैटरी के चार्ज होने तक जाली के तलों के बीच बने रहते हैं, जिस बिंदु पर लिथियम डी-इंटरक्लेट होता है और एनोड में चला जाता है।

संश्लेषण
क्रिस्टलीयता, कण आकार वितरण, आकारिकी और संरचना सभी NMC पदार्थों के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं, और इन मापदंडों को विभिन्न संश्लेषण विधियों का उपयोग करके समायोजित किया जा सकता है। निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड की पहली रिपोर्ट में सह-अवक्षेपण विधि का उपयोग किया गया था, जो आज भी सामान्यतः उपयोग की जाती है। इस विधि में वांछित मात्रा में धातु के अग्रदूतों को एक साथ घोलना और फिर विलायक को हटाने के लिए उन्हें सुखाना सम्मिलित है। फिर इस सामग्री को लिथियम स्रोत के साथ मिश्रित किया जाता है और कैल्सिनेशन नामक प्रक्रिया में ऑक्सीजन के तहत 900°C तक के तापमान तक गर्म किया जाता है। हाइड्रॉक्साइड्स, ऑक्सालिक एसिड और कार्बोनेट सबसे साधारण सहअवक्षेपण एजेंट हैं।

सोल-जेल विधियाँ एक अन्य साधारण NMC संश्लेषण विधि हैं। इस विधि में, संक्रमण धातु अग्रदूतों को नाइट्रेट या एसीटेट घोल में घोल दिया जाता है, फिर लिथियम नाइट्रेट या लिथियम एसीटेट और साइट्रिक एसिड घोल के साथ मिलाया जाता है। इस मिश्रण को बुनियादी परिस्थितियों में लगभग 80°C तक हिलाया और गरम किया जाता है जब तक कि चिपचिपा जेल न बन जाए। NMC सामग्री प्राप्त करने के लिए जेल को लगभग 120°C पर सुखाया जाता है और दो बार 450°C पर और फिर 800-900°C पर कैलक्लाइंड किया जाता है।

जलतापीय निरूपण को या तो सहअवक्षेपण या सोल-जेल मार्गों के साथ जोड़ा जा सकता है। इसमें एक आटोक्लेव में कोप्रेसिपिटेट या जेल प्रीकर्सर को गर्म करना सम्मिलित है। निरूपणित पूर्ववर्तियों को फिर फ़िल्टर किया जाता है और सामान्य रूप से कैल्सीन किया जाता है। कैल्सिनेशन से पहले जलतापीय निरूपण NMC की क्रिस्टलीयता में सुधार करता है, जिससे कोशिकाओं में सामग्री का प्रदर्शन बढ़ जाता है। हालाँकि, यह लंबे समय तक सामग्री प्रसंस्करण समय की कीमत पर आता है।

इतिहास
NMC कैथोड सामग्रियां ऐतिहासिक रूप से जॉन बी. गुडइनफ के 1980 के दशक में LiCoO2 पर किए गए कार्य, त्सुतोमो ओहज़ुकु के Li(NiMn)O2 पर किए गए कार्य, और NaFeO2-प्रकार की सामग्री पर संबंधित अध्ययनों से ली गई हैं। ज़ाओलिन लियू, ऐशुई यू और जिम वाई ली ने लिथियम-आयन बैटरी के लिए पहले निकल मैंगनीज कोबाल्ट कैथोड को संश्लेषित किया था।

2001 में, क्रिस्टोफर जॉनसन, माइकल ठाकरे, खलील अमीन और जेकूक किम ने Li2MnO3 व्युत्पन्न डोमेन संरचना के आधार पर लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (NMC) लिथियम-समृद्ध कैथोड के लिए एक पेटेंट के लिए आवेदन किया। उसी वर्ष, झोंगहुआ लू और जेफ डान ने अंतिम सदस्यों के बीच ठोस समाधान अवधारणा के आधार पर, सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के NMC वर्ग के लिए एक पेटेंट के लिए आवेदन किया था।

गुण
NMC कैथोड के साथ लिथियम आयन बैटरियों का सेल वोल्टेज 3.6–3.7 V है।

अरुमुगम मंथिरम ने बताया है कि धातुओं के 3डी बैंड की ऑक्सीजन 2p बैंड से सापेक्ष स्थिति NMC कैथोड सामग्री के भीतर प्रत्येक धातु की भूमिका की ओर ले जाती है। मैंगनीज 3डी बैंड ऑक्सीजन 2p बैंड से ऊपर है, जिसके परिणामस्वरूप मैंगनीज की उच्च रासायनिक स्थिरता है। कोबाल्ट और निकल 3डी बैंड ऑक्सीजन 2p बैंड को ओवरलैप करते हैं, जिससे उन्हें ऑक्सीजन आयनों के इलेक्ट्रॉन घनत्व को खोए बिना उनके 4+ ऑक्सीकरण अवस्था में आवेशित करने की अनुमति मिलती है।

उपयोग
कई इलेक्ट्रिक कारें NMC कैथोड बैटरियों का उपयोग करती हैं। NMC बैटरियां 2011 में बीएमडब्ल्यू एक्टिवई में और 2013 में बीएमडब्ल्यू आई8 में स्थापित की गईं। 2020 तक NMC बैटरी वाली अन्य इलेक्ट्रिक कारों में सम्मिलित हैं: ऑडी ई-ट्रॉन जीई, बीएआईसी ईयू5 आर550, बीएमडब्ल्यू आई3, बीवाईडी युआन ईवी535, शेवरले बोल्ट, हुंडई कोना इलेक्ट्रिक, जगुआर आई-पेस, जियांगलिंग मोटर्स जेएमसी ई200एल, एनआईओ ईएस6, निसान लीफ S प्लस, रेनॉल्ट ज़ोए, रोएवे ईआई5, वीडब्ल्यू ई-गोल्फ और वीडब्ल्यू आईडी.3.[24]  केवल कुछ इलेक्ट्रिक कार निर्माता ही अपनी ट्रैक्शन बैटरियों में NMC कैथोड का उपयोग नहीं करते हैं। टेस्ला एक महत्वपूर्ण अपवाद है, क्योंकि वे अपने वाहनों के लिए निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम ऑक्साइड और लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरियों का उपयोग करते हैं। 2015 में, एलोन मस्क ने बताया कि घरेलू स्टोरेज टेस्ला पावरवॉल इकाइयों के जीवनकाल में चार्ज/डिस्चार्ज चक्र की संख्या बढ़ाने के लिए NMC पर आधारित है।

मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे मोबाइल फोन/स्मार्टफोन, लैपटॉप और पेडेलेक भी NMC-आधारित बैटरियों का उपयोग कर सकते हैं। इन अनुप्रयोगों में पहले लगभग विशेष रूप से लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरी का उपयोग किया जाता था। NMC बैटरियों का एक अन्य अनुप्रयोग बैटरी स्टोरेज पावर स्टेशन है। 2016 में कोरिया में 15 मेगावाट की संयुक्त क्षमता के साथ ऐसी दो स्टोरेज प्रणालियाँ स्थापित की गईं। 2017 में, ऑस्ट्रेलियाई राज्य पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया के न्यूमैन में 11 मेगावाट की क्षमता वाली 35 मेगावाट की NMC बैटरी स्थापित और कार्यचालन में लायी गई थी।

यह भी देखें

 * लिथियम आयन बैटरी
 * लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड
 * लिथियम आयरन फॉस्फेट


 * करीम ज़गहिब