लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी

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लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी
LiFePO4_AA
Specific energy90–160 Wh/kg (320–580 J/g or kJ/kg)[1]
Energy density325 Wh/L (1200 kJ/L)[1]
Specific poweraround 200 W/kg[2]
Energy/consumer-price1-4 Wh/US$[3][4]
Time durability> 10 years
Cycle durability2,750–12,000[5] cycles
Nominal cell voltage3.2 V

लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी (LiFePO 4 बैटरी) या LFP बैटरी लिथियम आयरन फॉस्फेट(LiFePO 4 का उपयोग कर लिथियम-आयन बैटरी का एक प्रकार है। कैथोड और एनोड सामग्री के रूप में, एक धात्विक ग्रेफाइटिक कार्बन इलेक्ट्रोड के साथ सहायक है। उनकी कम लागत, उच्च सुरक्षा, कम विषाक्तता, लंबे चक्र जीवन और अन्य कारकों के कारण, LFP बैटरी वाहन उपयोग, उपयोगिता-स्तर के स्थिर अनुप्रयोगों और समर्थन् में कई भूमिकाएँ निभा रही हैं।[6] एलएफपी कोबाल्ट बैटरी निःशुल्क हैं।[7] सितंबर 2022 तक ईवी के लिए एलएफपी प्रकार की बैटरी बाजार भागीदारी 31% तक पहुंच गई, और उसमें से 68% अकेले टेस्ला और चीनी ईवी निर्माता बीवाईडी उत्पादन से थी।।[8]

चीनी निर्माता तापमान में एलएफपी बैटरी प्रकार के उत्पादन का लगभग एकाधिकार रखते हैं,[9] यद्यपि 2022 में एकस्व समाप्त होने के साथ और सस्ती ईवी बैटरी की बढ़ती मांग के साथ,[10] 2028 में लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड के उत्पादन को पार करने के लिए और बढ़ने की संभावना है।[11] एक एलएफपी बैटरी का ऊर्जा घनत्व अन्य सामान्य लिथियम आयन बैटरी प्रकारों जैसे निकल मैंगनीज कोबाल्ट और निकल कोबाल्ट एल्यूमीनियम की तुलना में कम होता है, और इसका ऑपरेटिंग विभावन्तर भी कम होता है; सीएटीएल की एलएफपी बैटरियां तापमान में 125 वाट घंटे प्रति किग्रा, बेहतर पैकिंग तकनीक के साथ संभवतः 160 वाट घंटे प्रति किग्रा तक हैं, जबकि बीवाईडी की एलएफपी बैटरियां उच्चतम एनएमसी बैटरियों के लिए 300 वाट घंटे प्रति किग्रा की तुलना में 150 वाट घंटे प्रति किग्रा हैं। विशेष रूप से,टेस्ला के प्रारूप 3 में 2020 में उपयोग की जाने वाली पैनासोनिक की 2170 एनसीए बैटरी की ऊर्जा घनत्व लगभग 260 वाट घंटे प्रति किग्रा है,जो इसके शुद्ध रसायन मूल्य का 70% है।

इतिहास

Main article: लिथियम आयरन फॉस्फेट

LiFePO
4 ओलीवाइन परिवार का एक प्राकृतिक खनिज है। अरुमुगम मंत्र और जॉन बी. गुडएनफ ने सबसे पहले लिथियम आयन बैटरी के लिए ऋणाग्र सामग्री के बहुऋणायन वर्ग की पहचान की।[12][13][14] LiFePO
4 तब 1996 में पाधी एट अल द्वारा बैटरी में उपयोग के लिए बहुऋणायन वर्ग से संबंधित ऋणाग्र सामग्री के रूप में पहचान की गई थी।[15][16] लिथियम से प्रतिवर्ती निष्कर्षण LiFePO
4 और लिथियम का सम्मिलन FePO
4 प्रदर्शित किया गया था। इसकी कम लागत, गैर-विषाक्तता, लोहे की प्राकृतिक प्रचुरता, इसकी उत्कृष्ट तापीय स्थिरता, सुरक्षा विशेषताओं, विद्युतरासायनिक प्रदर्शन और विशिष्ट क्षमता 170 एमएएच/एच/जी, या 610 सी/जी के कारण इसे प्राप्त हुआ है अधिक बाजार स्वीकृति व्यावसायीकरण के लिए मुख्य बाधा इसकी आंतरिक रूप से कम विद्युत चालकता थी। कण आकार को कम करके,आलेप करके इस समस्या को दूर किया गया LiFePO
4 प्रवाहकीय सामग्री वाले कण जैसे कार्बन नैनोट्यूब,[17][18] अथवा दोनों यह दृष्टिकोण मिशेल आर्मंड और उनके सहकर्मियों द्वारा विकसित किया गया था।[19] फिर भी-मिंग चियांग के समूह द्वारा एक अन्य दृष्टिकोण में डोपन सम्मिलित था[20]कटियन आयनों के साथ एलएफपी सामग्री जैसे अल्युमीनियम, नाइओबियम और जिरकोनियम।

पेट्रोलियम कोक से बने नकारात्मक विद्युतग्र धनाग्र, निर्वहन पर प्रारंभिक लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किए गए थे; बाद मे प्राकृतिक या सिंथेटिक ग्रेफाइट का प्रयोग करते हैं।[21]


निर्दिष्टीकरण

2800Ah 52V बैटरी मॉड्यूल बनाने के लिए एकाधिक लिथियम आयरन फॉस्फेट मॉड्यूल श्रृंखला और समांतर सर्किट में वायर्ड होते हैं। कुल बैटरी क्षमता 145.6 kWh है। मॉड्यूल को एक साथ जोड़ने वाले बड़े, ठोस बंद करना कॉपर बसबार पर ध्यान दें। इस 48 वोल्ट डीसी सिस्टम में उत्पन्न उच्च धाराओं को समायोजित करने के लिए इस बसबार को 700 एएमपीएस डीसी के लिए रेट किया गया है।
लिथियम आयरन फॉस्फेट मॉड्यूल, प्रत्येक 700Ah, 3.25V। 4.55 किलोवाट की क्षमता वाला एक सिंगल 3.25 V 1400 Ah बैटरी पैक बनाने के लिए समानांतर में दो मॉड्यूल जोड़े गए हैं।

* बैटरी विभव

    • न्यूनतम प्रवाह विभावन्तर = 2.0-2.8 वी[22][23][24]
    • वर्किंग विभावन्तर = 3.0 ~ 3.3 V
    • अधिकतम आवेश विभावन्तर = 3.60-3.65 वी[25][26]
  • अनुमापी ऊर्जा घनत्व = 220 वाट-घंटा/लीटर 790 kJ/L
  • गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा घनत्व > 90 Wh/kg [28] (> 320 J/g)। 160 Wh/kg तक [1] (580 J/g)।
  • शर्तों के आधार पर 2,700 से 10,000 से अधिक चक्रों का चक्र जीवन।[5]


लाभ और हानी

एलएफपी बैटरी लिथियम-आयन-व्युत्पन्न रसायन का उपयोग करती है और अन्य लिथियम-आयन बैटरी रसायन के साथ कई लाभ और हानी साझा करती है। यद्यपि,महत्वपूर्ण अंतर हैं।

संसाधन की उपलब्धता

लोहा और फॉस्फेट रासायनिक तत्व पृथ्वी की पपड़ी में की बहुत अधिक मात्रा में हैं। एलएफपी में न तो निकेल होता है[27] न ही कोबाल्ट, जो दोनों आपूर्ति मे कठिन और महंगे हैं। लिथियम के साथ, मानवीय [28] और पर्यावरण[29]कोबाल्ट के उपयोग को लेकर चिंता जताई गई है। निकल के निष्कर्षण को लेकर पर्यावरण संबंधी चिंताओं को भी उठाया गया है।[30]

लागत

2020 में, सबसे कम सूचित एलएफपी बैटरी मूल्य 80/किलोवाट 12.5 वाट थे।[31]अमेरिकी ऊर्जा विभाग द्वारा प्रकाशित 2020 की रिपोर्ट में एलएफपी के सापेक्ष एनएमसी मे निर्मित बड़ी मात्रा मे ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की लागतों की तुलना की गई है। इसने पाया कि एलएफपी बैटरियों की प्रति किलोवाट लागत एनएमसी से लगभग 6% कम थी, और इसने अनुमान लगाया कि एलएफपी बैटरी लगभग 67% अधिक समय तक चलेगी। बैटरी की विशेषताओं के मध्य अंतर के कारण, भंडारण प्रणाली के कुछ अन्य घटकों की लागत एलएफपी के सापेक्ष कुछ अधिक होगी,लेकिन संतुलन में यह अभी भी एनएमसी की तुलना में प्रति किलोवाट कम खर्चीला है।[32]


उपयुक्त उम्र बृद्धि और चक्र-जीवन की विशेषताएं

एलएफपी रसायन शास्त्र अन्य लिथियम-आयन रसायन शास्त्रों की तुलना में अधिक लंबा चक्र जीवन प्रदान करता है। अधिकांश परिस्थितियों में यह 3,000 से अधिक चक्रों का समर्थन करता है, और इष्टतम परिस्थितियों में यह 10,000 से अधिक चक्रों का समर्थन करता है। स्थितियों के आधार पर एनएमसी बैटरी लगभग 1,000 से 2,300 चक्रों का समर्थन करती है। कोबाल्ट जैसी लीथियम-आयन बैटरी रसायन की तुलना में एलएफपी बैटरी क्षमता हानि की धीमी दर का अनुभव करते हैं। जैसे मैंगनीज रीढ़ लिथियम-आयन पॉलिमर बैटरी या लिथियम आयन बैटरी[33]


सीसा -अम्लीय बैटरी का व्यवहार्य विकल्प

नाममात्र 3.2 V प्रक्षेपण के कारण, 12.8 V के नाममात्र विभावन्तर के लिए चार बैटरी श्रृंखला में रखे जा सकते हैं। यह छह - बैटरी सीसा अम्लीय बैटरी के नाममात्र विभावन्तर के निकट आता है। एलएफपी बैटरियों की अच्छी सुरक्षा विशेषताओं के साथ,यह एलएफपी को स्वचालित और सौर अनुप्रयोगों में सीसा -अम्लीय बैटरियों के लिए एक अच्छा संभावित प्रतिस्थापन बनाता है, बशर्ते चार्जिंग प्रणाली को अत्यधिक चार्जिंग विभावन्तर 3.6 से अधिक के माध्यम से एलएफपी सेलों को नुकसान न पहुँचाने के लिए अनुकूलित किया गया हो। तापमान-आधारित विभावन्तर क्षतिपूर्ति, बराबरी के प्रयास या निरंतर अल्पमात्रा मे चार्जिग होना एलएफपी सेलो के समूह को इकट्ठा करने से पहले कम से कम संतुलित होना चाहिए और यह सुनिश्चित करने के लिए एक सुरक्षा प्रणाली को लागू करने की आवश्यकता है। किसी भी बैटरी को 2.5 वी के विभावन्तर से कम नहीं किया जा सकता है या अपरिवर्तनीय विखंडन के कारण अधिकांश स्थितियों में गंभीर क्षति हो सकती है। [29].


सुरक्षा

अन्य लिथियम-आयन रसायन के सापेक्ष एक महत्वपूर्ण लाभ तापीय और रासायनिक स्थिरता है, जो बैटरी सुरक्षा में सुधार करता है।[29] LiFePO
4 की तुलना में एक आंतरिक रूप से सुरक्षित ऋणाग्र सामग्री LiCoO
2है और मैंगनीज डाइऑक्साइड अकशेरुकी कोबाल्ट की चूक के माध्यम से, विद्युतप्रतिरोध के नकारात्मक तापमान गुणांक के साथ जो अनियंत्रित ताप को प्रोत्साहित कर सकता है। फॉस्फेट में फास्फोरस-ऑक्सीजन बंधन (PO
4)3−
आयन कोबाल्ट-ऑक्सीजन बंधन से अधिक प्रबल है, जिससे जब दुरुपयोग लघुपथित अतितापन आदि, हो तो ऑक्सीजन परमाणु अधिक धीरे-धीरे जारी होंता है, रेडॉक्स ऊर्जाओं का यह स्थिरीकरण तेजी से आयन प्रवासन को भी बढ़ावा देता है।[34]चूंकि लिथियम ऋणाग्र से बाहर निकलता है LiCoO
2 बैटरी CoO
2 गैर-रैखिक विस्तार से प्रसारित है जो बैटरी की संरचनात्मक अखंडता को प्रभावित करता है। जो पूरी तरह से लिथित और अलिथित क्षत्रों LiFePO
4 संरचनात्मक रूप से समान हैं जिसका अर्थ है LiFePO
4 सेलों को संरचनात्मक रूप से अधिक स्थिर होती हैं LiCoO
2 सेलों को पूरी तरह चार्ज एलएफपी बैटरी के ऋणाग्र में कोई लिथियम नहीं रहता है। एक बैटरी लगभग 50% बनी हुई है। LiFePO
4 ऑक्सीजन की हानि के समय अत्यधिक लचीला होता है, जिसके परिणामस्वरूप सामान्यतः अन्य लिथियम सेलों में एक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया होती है।[35] नतीजतन, LiFePO
4 गलत तरह से संचालन की स्थिति में सेलों को प्रज्वलित करना कठिन होता है। LiFePO
4 बैटरी उच्च तापमान पर तापीय अपघटन नहीं करती है।[29]


कम ऊर्जा घनत्व

नई एलएफपी बैटरी का ऊर्जा घनत्व नई बैटरी की तुलना में लगभग 14% कम होता है LiCoO
2 बैटरी [36] चूंकि प्रवाह दर बैटरी क्षमता का एक प्रतिशत है, यदि कम- तापमान बैटरी का उपयोग किया जाए तो बड़ी बैटरी अधिक एम्पीयर घंटे का उपयोग करके उच्च दर प्राप्त की जा सकती है। अभी तक, एक उच्च -तापमान एलएफपी बैटरी या सीसा अम्लीय की तुलना में उच्च निर्वहन दर होगी जिसमें LiCoO
2 समान क्षमता की बैटरी का उपयोग किया जा सकता है।

उपयोग

गृह ऊर्जा भंडारण

एनपेज़ ने लागत और अग्नि सुरक्षा के कारणों के लिए एलएफपी घरेलू ऊर्जा भंडारण का कदम उठाया है, यद्यपि प्रतिस्पर्धी रसायन के मध्य बाजार विभाजित है।[37] यह अन्य लिथियम रसायन की तुलना में कम ऊर्जा घनत्व द्रव्यमान और आयतन जोड़ता है, दोनों एक स्थिर अनुप्रयोग में अधिक सहनीय हो सकते हैं। 2021 में, सोनेनबैटरी और एंफेज सहित गृह और प्रयोगकर्ता बाजार में कई आपूर्तिकर्ता थे।

टेस्ला मोटर्स अपने घरेलू ऊर्जा भंडारण उत्पादों में एनएमसी बैटरी का उपयोग करना जारी रखता है, लेकिन 2021 में अपने यूटिलिटी-स्केल बैटरी उत्पाद के लिए एलएफपी पर बंद किया गया।[38] एनर्जीसेजके अनुसार,अमेरिका में सबसे अधिक उद्धृत घरेलू ऊर्जा भंडारण बैटरी ब्रांड के चरण है, जो 2021 में टेस्ला, मोटर्स और एलजी से आगे निकल गया।[39]


वाहन

वाहन त्वरण, कम वजन और लंबे जीवन के लिए आवश्यक उच्चप्रवाह दर इस बैटरी प्रकार को फोर्कलिफ्ट, साइकिल और कारों के लिए आदर्श बनाती है। 12वी LiFePO4 यात्रियों के लिए, मोटर या नाव बैटरी के रूप में बैटरी भी लोकप्रियता प्राप्त कर रही है।[40] टेसला मोटर्स अक्टूबर 2021 से बने सभी आदर्श- क्षेत्र टेस्ला प्रारूप 3 और टेस्ला प्रारूप Y में एलएफपी बैटरी का उपयोग करती है।[41] सितंबर 2022 तक, एलएफपी बैटरियों ने संपूर्ण ईवी बैटरी बाज़ार में अपनी बाज़ार भागीदारी बढ़ाकर 31% कर ली थी। उनमें से 68% दो कंपनियों, टेस्ला और बीवाईडी द्वारा तैनात किए गए थे।[42] लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी ने आधिकारिक तौर पर 52% स्थापित क्षमता के साथ 2021 में टर्नरी बैटरी को पार कर लिया। विश्लेषकों का अनुमान है कि 2024 में इसकी बाजार हिस्सेदारी 60% से अधिक हो जाएगी।[43] फरवरी 2023 में, फोर्ड ने घोषणा की कि वह मिशिगन में एक कारखाना बनाने के लिए 3.5 बिलियन का निवेश करेगी जो उसके कुछ विद्युत वाहनों के लिए कम लागत वाली बैटरी का उत्पादन करेगी। परियोजना पूरी तरह से फोर्ड सहायक कंपनी के स्वामित्व में होगी, लेकिन चीनी बैटरी कंपनी समकालीन ऐंपियर तकनीकी, लिमिटेड सीएटीएल से लाइसेंस प्राप्त तकनीक का उपयोग कर रही है ।[44]


सौर-संचालित प्रकाश व्यवस्था

एकल "14500" एलएफपी सेल अब 1.2 वी एनआईसीडी / एनआईएमएच के अतिरिक्त कुछ सौर-संचालित प्राकृतिक दृश्य में उपयोग किए जाते हैं। एलएफपी का उच्च (3.2 वी) कार्यशील विभावन्तर को बढ़ाने के लिए परिपथिकी के बिना एकल बैटरी को एलईडी चलाने देता है। सामान्यतः ओवरचार्जिंग के लिए इसकी बढ़ी हुई सहनशीलता का मतलब है LiFePO
4 पुनर्भरण चक्र को रोकने के लिए परिपथिकी के बिना प्रकाश विभावन्तरिय सेलों से जोड़ा जा सकता है। एक एलएफपी बैटरी से एक एलईडी संचालन करने की क्षमता भी बैटरी धारकों को कम करती है, और इस प्रकार कई हटाने योग्य पुनर्भरण बैटरी का उपयोग करने वाले उत्पादों से जुड़े जंग, संक्षेपण और गंदगी 2013 तक, उपयुक्त सौर-चार्ज निष्क्रिय इन्फ्रारेड सुरक्षा प्रकाश उभरे।[45] चूंकि A-आकार के एलएफपी बैटरी की क्षमता मात्र 600 mAh होती है जबकि प्रकाश की चमकदार एलईडी 60 mA खींच सकती है इकाइयां अधिकतम 10 घंटे तक चमकती हैं। यद्यपि,अगर प्रवर्तक तथाकथित ही होती है, तो ऐसी इकाइयां कम धूप में भी चार्ज करने के लिए संतोषजनक हो सकती हैं, क्योंकि प्रकाश विद्युतकीय 1mA से कम के अंधेरे के बाद के निष्क्रिय धारा को सुनिश्चित करते हैं।


अन्य उपयोग

कुछ विद्युत सिगरेट इस प्रकार की बैटरियों का उपयोग करती हैं। अन्य अनुप्रयोगों में जैसे समुद्री विद्युत प्रणालियाँ और प्रणोदन,फ्लैशलाइट्स, रेडियो-नियंत्रित प्रारूप, वहनीय मोटर चालित उपकरण, शौकिया रेडियो उपकरण, औद्योगिक सेंसर प्रणाली सम्मिलित हैं।[46]


यह भी देखें


संदर्भ

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