लिथियम-आयन संधारित्र

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लिथियम-आयन संधारित्र
Lithium Ionen Kondensator.jpg
Single-ended lithium-ion capacitors up to 200 F for PCB mounting
Specific energy19–262 Wh/kg[1]
Energy density19–25 Wh/L[verification needed]
Specific power300–156000 W/kg[1]
Charge/discharge efficiency95%[verification needed]
Self-discharge rate< 5% per month (temperature dependent)
Cycle durability100-75,000 over 90%[1]
Nominal cell voltage1.5–4.5 V[1]

लिथियम-आयन संधारित्र (एलआईसी या लीसी) एक हाइब्रिड प्रकार का कैपेसिटर है जिसे एक प्रकार के supercapacitor के रूप में वर्गीकृत किया गया है। इसे हाइब्रिड कहा जाता है क्योंकि एनोड वही होता है जो लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किया जाता है और कैथोड वही होता है जो सुपरकैपेसिटर में उपयोग किया जाता है। सक्रिय कार्बन आमतौर पर कैथोड के रूप में प्रयोग किया जाता है। एलआईसी के एनोड में कार्बन सामग्री होती है जो अक्सर लिथियम आयनों के साथ पूर्व-डोप होती है। यह प्री-डोपिंग प्रक्रिया एनोड की क्षमता को कम करती है और अन्य सुपरकैपेसिटर की तुलना में अपेक्षाकृत उच्च आउटपुट वोल्टेज की अनुमति देती है।

इतिहास

1981 में, क्योटो विश्वविद्यालय के डॉ. यामाबे ने कानेबो कंपनी के डॉ. याता के सहयोग से 400-700 डिग्री सेल्सियस पर फेनोलिक राल को पाइरोलाइज़ करके पीएएस (पॉलीसेनिक सेमीकंडक्टिव) के रूप में जानी जाने वाली सामग्री बनाई।[2] यह अनाकार कार्बोनेसियस सामग्री उच्च-ऊर्जा-घनत्व वाले रिचार्जेबल उपकरणों में इलेक्ट्रोड के रूप में अच्छा प्रदर्शन करती है। केनेबो कंपनी द्वारा 1980 के दशक की शुरुआत में पेटेंट दायर किए गए थे।[3] और संधारित्र नहीं और लिथियम-आयन कैपेसिटर (एलआईसी) के व्यावसायीकरण के प्रयास शुरू हुए। PAS कैपेसिटर का पहली बार उपयोग 1986 में किया गया था,[4] और 1991 में एलआईसी कैपेसिटर।

यह 2001 तक नहीं था[5] कि एक शोध समूह हाइब्रिड आयन कैपेसिटर के विचार को अस्तित्व में लाने में सक्षम था। इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट प्रदर्शन और चक्र जीवन को बेहतर बनाने के लिए बहुत सारे शोध किए गए थे लेकिन 2010 तक ऐसा नहीं था कि Naoi et al। कार्बन नैनोफाइबर के साथ एलटीओ (लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड) के नैनो-संरचित सम्मिश्र को विकसित करके एक वास्तविक सफलता हासिल की।[6]आजकल, रुचि का एक अन्य क्षेत्र सोडियम आयन कैपेसिटर (एनआईसी) है क्योंकि सोडियम लिथियम की तुलना में बहुत सस्ता है। फिर भी, एलआईसी अभी भी एनआईसी से बेहतर प्रदर्शन करती है, इसलिए यह इस समय आर्थिक रूप से व्यवहार्य नहीं है।[7]


अवधारणा

सुपरकैपेसिटर और संबंधित प्रकारों का श्रेणीबद्ध वर्गीकरण

लिथियम-आयन कैपेसिटर एक हाइब्रिड इलेक्ट्रोकेमिकल एनर्जी स्टोरेज डिवाइस है जो लिथियम आयन बैटरी एनोड के इंटरकलेशन (केमिस्ट्री) मैकेनिज्म को इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कैपेसिटर (EDLC) के कैथोड के डबल-लेयर मैकेनिज्म से जोड़ता है। एक नकारात्मक बैटरी-प्रकार LTO इलेक्ट्रोड और एक सकारात्मक संधारित्र प्रकार सक्रिय कार्बन (AC) के संयोजन के परिणामस्वरूप ca का ऊर्जा घनत्व होता है। 20 Wh/kg जो एक मानक इलेक्ट्रिक डबल लेयर कैपेसिटर (EDLC) का लगभग 4-5 गुना है। हालाँकि, बिजली घनत्व को EDLCs से मेल खाने के लिए दिखाया गया है, क्योंकि यह सेकंड में पूरी तरह से निर्वहन करने में सक्षम है।[8]

नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) पर, जिसके लिए अक्सर सक्रिय कार्बन का उपयोग किया जाता है, चार्ज एक डबल-लेयर कैपेसिटेंस में संग्रहीत होते हैं जो इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफेस में विकसित होते हैं। EDLCs की तरह, LIC वोल्टेज रैखिक रूप से भिन्न होते हैं जो उन्हें सिस्टम में एकीकृत करने वाली जटिलताओं को जोड़ते हैं जिनमें पावर इलेक्ट्रॉनिक्स होते हैं जो बैटरी के अधिक स्थिर वोल्टेज की अपेक्षा करते हैं। परिणामस्वरूप, एलआईसी में उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, जो वोल्टेज के वर्ग के साथ बदलता रहता है। एनोड की समाई कैथोड की तुलना में परिमाण के कई क्रम हैं। नतीजतन, चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान एनोड क्षमता का परिवर्तन कैथोड क्षमता में परिवर्तन से बहुत छोटा है।

एनोड

एलआईसी का नकारात्मक इलेक्ट्रोड या एनोड बैटरी प्रकार या उच्च ऊर्जा घनत्व इलेक्ट्रोड है। लिथियम आयनों के प्रतिवर्ती अंतर्संबंध (रसायन विज्ञान) द्वारा बड़ी मात्रा में ऊर्जा रखने के लिए एनोड को चार्ज किया जा सकता है। यह प्रक्रिया एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया है। यही कारण है कि कैथोड की तुलना में एनोड के लिए क्षरण अधिक समस्या है क्योंकि कैथोड एक इलेक्ट्रोस्टाटिक्स प्रक्रिया में शामिल होता है न कि इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री प्रक्रिया में।

एनोड के दो समूह होते हैं। पहला समूह विद्युत रासायनिक सक्रिय प्रजातियों और कार्बोनेस सामग्री के संकर हैं। दूसरा समूह नैनोसंरचित एनोड सामग्री है। एलआईसी का एनोड मूल रूप से एक इंटरकलेशन प्रकार की बैटरी सामग्री है जिसमें सुस्त रासायनिक कैनेटीक्स है। हालांकि, एलआईसी में एक एनोड को नियोजित करने के लिए, किसी को हाइब्रिड एनोड सामग्री डिजाइन करके कैपेसिटर के गुणों की ओर थोड़ा सा झुकाव करने की आवश्यकता होती है। हाइब्रिड सामग्री को कैपेसिटर और बैटरी टाइप स्टोरेज मैकेनिज्म का उपयोग करके तैयार किया जा सकता है।[1] वर्तमान में, सबसे अच्छी विद्युत रासायनिक प्रजाति लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड (LTO) है, 2
Li4Ti5O12, उच्च फैराडे दक्षता, स्थिर ऑपरेटिंग वोल्टेज पठार और लिथियम सम्मिलन / मरुस्थलीकरण के दौरान नगण्य मात्रा परिवर्तन जैसे असाधारण गुणों के कारण। नंगे एलटीओ में खराब विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता और लिथियम आयन द्रव्यमान विसारकता है इसलिए एक संकर की जरूरत है।[9] एलटीओ के लाभ महान विद्युत चालकता और कार्बन कोटिंग्स जैसे कार्बोनेस सामग्री के आयनिक प्रसार के साथ संयुक्त रूप से आर्थिक रूप से व्यवहार्य एलआईसी की ओर ले जाते हैं।

LTO की इलेक्ट्रोड क्षमता -1.5 V बनाम Li/Li के आसपास काफी स्थिर है+. चूंकि कार्बोनेसियस सामग्री का उपयोग किया जाता है, इसलिए ग्रेफाइटिक इलेक्ट्रोड क्षमता जो शुरू में -0.1 वाल्ट बनाम SHE (मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड) पर है, लिथियम आयनों को आपस में जोड़कर -2.8 V तक कम किया जाता है। इस कदम को डोपिंग के रूप में जाना जाता है और अक्सर डिवाइस में एनोड और बलिदान लिथियम इलेक्ट्रोड के बीच होता है। एनोड को डोपिंग करने से एनोड की क्षमता कम हो जाती है और कैपेसिटर के उच्च आउटपुट वोल्टेज की ओर जाता है। आमतौर पर, LIC के लिए आउटपुट वोल्टेज 3.8–4.0 V की सीमा में होते हैं, लेकिन 1.8–2.2 V के न्यूनतम अनुमत वोल्टेज तक सीमित होते हैं।

नैनोसंरचित सामग्री एक उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र के साथ धातु के आक्साइड हैं। उनका मुख्य लाभ यह है कि यह इलेक्ट्रोलाइटिक प्रजातियों के प्रसार मार्गों को कम करके एनोड की दर क्षमता को बढ़ाने का एक तरीका है। बिजली घनत्व बढ़ाने के लिए कार्बन नैनोट्यूब (एकल और बहु-दीवार वाले), नैनोकणों, नैनोवायरों और नैनोबीड्स सहित नैनोस्ट्रक्चर के विभिन्न रूपों को विकसित किया गया है।[7][1]

ग्रेफाइटिक कार्बन के विकल्प के रूप में एनोड सामग्री के लिए अन्य उम्मीदवारों की जांच की जा रही है,[7] जैसे हार्ड कार्बन,[6][10][11] सॉफ्ट कार्बन और ग्राफीन आधारित कार्बन।[12] ग्रेफाइटिक कार्बन की तुलना में अपेक्षित लाभ, डोप्ड इलेक्ट्रोड क्षमता को बढ़ाना है जिससे बेहतर बिजली क्षमता के साथ-साथ एनोड पर धातु (लिथियम) के जोखिम को कम किया जा सकता है।

कैथोड

एलआईसी का कैथोड ऊर्जा को स्टोर करने के लिए एक इलेक्ट्रिक डबल लेयर का उपयोग करता है। कैथोड की प्रभावशीलता को अधिकतम करने के लिए इसमें एक उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र और अच्छी विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता होनी चाहिए। प्रारंभ में सक्रिय कार्बन का उपयोग कैथोड बनाने के लिए किया जाता था लेकिन प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए एलआईसी में विभिन्न कैथोड का उपयोग किया गया है। इन्हें चार समूहों में क्रमबद्ध किया जा सकता है: हेटेरोएटॉम-डॉप्ड कार्बन, ग्राफीन-आधारित, झरझरा कार्बन और द्विभाजित कैथोड।

हेटेरोएटम-डोप्ड कार्बन अभी तक केवल नाइट्रोजन के साथ डोप किया गया है। नाइट्रोजन के साथ डोपिंग सक्रिय कार्बन कैथोड की समाई और चालकता दोनों में सुधार करता है।[13][14][15] ग्राफीन आधारित कैथोड का उपयोग किया गया है क्योंकि ग्राफीन में उत्कृष्ट विद्युत चालकता होती है, इसकी पतली परतों का एक उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र होता है, और इसे सस्ते में उत्पादित किया जा सकता है। इसे अन्य कैथोड सामग्रियों की तुलना में प्रभावी और स्थिर दिखाया गया है।[16][17] झरझरा कार्बन कैथोड सक्रिय कार्बन कैथोड के समान बनाए जाते हैं। कार्बन का उत्पादन करने के लिए विभिन्न तरीकों का उपयोग करके इसे उच्च सरंध्रता के साथ बनाया जा सकता है।[1]यह उपयोगी है क्योंकि काम करने के लिए दोहरी परत के प्रभाव के लिए आयनों को दोहरी परत और विभाजक के बीच जाना पड़ता है। एक पदानुक्रमित ताकना संरचना होने से यह तेज़ और आसान हो जाता है।

द्विकार्यात्मक कैथोड अपने ईडीएलसी गुणों और उनके अच्छे ली के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के संयोजन का उपयोग करते हैं+ एलआईसी के ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने के लिए अंतर्संबंध गुण।[1]इसी तरह के विचार को एनोड सामग्री पर लागू किया गया था, जहां उनके गुणों को एक संधारित्र की ओर थोड़ा सा झुका हुआ था

प्री-लिथियेशन (प्री-डोपिंग)

चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के दौरान एनोड को बड़ी संभावित गिरावट का अनुभव करने से रोकने के लिए एलआईसी के एनोड को अक्सर प्री-लिथियेट किया जाता है। जब एक एलआईसी अपने अधिकतम या न्यूनतम वोल्टेज के पास आता है तो इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड ख़राब होने लगते हैं। यह अपरिवर्तनीय रूप से डिवाइस को नुकसान पहुंचाएगा और गिरावट वाले उत्पाद आगे की गिरावट को उत्प्रेरित करेंगे।

प्री-लिथियेशन का एक अन्य कारण यह है कि उच्च क्षमता वाले इलेक्ट्रोड प्रारंभिक चार्ज और डिस्चार्ज चक्र के बाद अपरिवर्तनीय रूप से क्षमता खो देते हैं। यह मुख्य रूप से एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरपेज़ (एसईआई) फिल्म के निर्माण के लिए जिम्मेदार है। इलेक्ट्रोड के प्री-लिथियेशन द्वारा एसईआई गठन के लिए लिथियम आयनों के नुकसान की मुख्य रूप से भरपाई की जा सकती है। सामान्य तौर पर, एलआईसी का एनोड प्री-लिथियेटेड होता है क्योंकि कैथोड ली-मुक्त होता है और लिथियम सम्मिलन/निर्वासन प्रक्रियाओं में भाग नहीं लेगा।[18]


इलेक्ट्रोलाइट

लगभग किसी भी ऊर्जा भंडारण उपकरण का तीसरा भाग इलेक्ट्रोलाइट है। इलेक्ट्रोलाइट को इलेक्ट्रॉनों को एक इलेक्ट्रोड से दूसरे तक ले जाने में सक्षम होना चाहिए, लेकिन इसकी प्रतिक्रिया दर में विद्युत रासायनिक प्रजातियों को सीमित नहीं करना चाहिए। एलआईसी के लिए इलेक्ट्रोलाइट आदर्श रूप से एक उच्च आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) है जैसे कि लिथियम आयन आसानी से एनोड तक पहुंच सकते हैं। आम तौर पर, इसे प्राप्त करने के लिए जलीय इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया जाएगा, लेकिन पानी लिथियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करेगा, इसलिए गैर-जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स का अक्सर उपयोग किया जाता है। एलआईसी में प्रयुक्त इलेक्ट्रोलाइट एक लिथियम-आयन नमक समाधान है जिसे अन्य कार्बनिक घटकों के साथ जोड़ा जा सकता है और आमतौर पर लिथियम-आयन बैटरी | लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किए जाने वाले समान होता है।

सामान्य तौर पर, कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया जाता है जिनमें जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स सुपरकेपसिटर (100 से 1000 एमएस/सेमी) की तुलना में कम विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता (10 से 60 एमएस/सेमी) होती है लेकिन अधिक स्थिर होती है। चालकता बढ़ाने के लिए अक्सर रैखिक (एथिलीन कार्बोनेट) और चक्रीय (डाइमिथाइल कार्बोनेट) कार्बोनेट जोड़े जाते हैं और ये एसईआई गठन स्थिरता को भी बढ़ाते हैं। जहां बाद वाले का मतलब है कि शुरुआती चक्रों के बाद ज्यादा एसईआई बनने की संभावना कम है। इलेक्ट्रोलाइट्स की एक अन्य श्रेणी अकार्बनिक ग्लास और सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट्स हैं। इनका अक्सर उल्लेख नहीं किया जाता है, लेकिन उनके पास उनके अनुप्रयोग होते हैं और कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उनके अपने फायदे और नुकसान होते हैं जो मुख्य रूप से उनकी झरझरा संरचना से आते हैं।[19] एक विभाजक एनोड और कैथोड के बीच सीधे विद्युत संपर्क को रोकता है। एलआईसी की क्षमताओं को कम करने वाले इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करने से रोकने के लिए इसे रासायनिक रूप से निष्क्रिय होना चाहिए। हालाँकि, विभाजक को आयनों के माध्यम से जाने देना चाहिए, लेकिन बनने वाले इलेक्ट्रॉनों को नहीं, क्योंकि इससे शॉर्ट सर्किट बन जाएगा।

गुण

एलआईसी के विशिष्ट गुण हैं

  • कैपेसिटर की तुलना में उच्च कैपेसिटेंस, बड़े एनोड की वजह से, हालांकि ली-आयन सेल की तुलना में कम क्षमता
  • कैपेसिटर की तुलना में उच्च ऊर्जा घनत्व (14 Wh/kg बताया गया है[20]), हालांकि ली-आयन सेल की तुलना में कम ऊर्जा घनत्व
  • उच्च विद्युत शक्ति घनत्व
  • उच्च विश्वसनीयता
  • ऑपरेटिंग तापमान -20 डिग्री सेल्सियस से 70 डिग्री सेल्सियस तक[21]
  • कम स्व-निर्वहन (तीन महीनों में 25 डिग्री सेल्सियस पर <5% वोल्टेज ड्रॉप)[21]


अन्य प्रौद्योगिकियों की तुलना

रैगोन प्लॉट एलआईसी की तुलना अन्य तकनीकों से करता है

बैटरी (बिजली), ईडीएलसी और एलआईसी प्रत्येक की अलग-अलग ताकत और कमजोरियां हैं, जो उन्हें विभिन्न श्रेणियों के अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनाती हैं।

ऊर्जा भंडारण उपकरणों को तीन मुख्य मानदंडों की विशेषता है: बिजली घनत्व (डब्ल्यू/किग्रा में), ऊर्जा घनत्व (डब्ल्यूएच/किग्रा में) और चक्र जीवन (चार्ज चक्रों की संख्या)।

एलआईसी की बैटरी की तुलना में उच्च शक्ति घनत्व है, और लिथियम-आयन बैटरी | लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में अधिक सुरक्षित हैं, जिसमें थर्मल भगोड़ा प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं। इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कैपेसिटर EDLC|(EDLC) की तुलना में, LIC का आउटपुट वोल्टेज अधिक है। हालांकि उनके पास समान शक्ति घनत्व है, एलआईसी में अन्य सुपरकैपेसिटर की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व है। चित्र 1 में रैगोन प्लॉट से पता चलता है कि एलआईसी एलआईबी की उच्च ऊर्जा को ईडीएलसी की उच्च शक्ति घनत्व के साथ जोड़ती है।

एलआईसी का चक्र जीवन प्रदर्शन बैटरी की तुलना में काफी बेहतर है और ईडीएलसी के पास नहीं है। कुछ एलआईसी का चक्र लंबा होता है लेकिन यह अक्सर कम ऊर्जा घनत्व की कीमत पर होता है।

अंत में, एलआईसी शायद लिथियम-आयन बैटरी की ऊर्जा घनत्व तक कभी नहीं पहुंच पाएगा और कभी भी सुपरकैपेसिटर के संयुक्त चक्र जीवन और बिजली घनत्व तक नहीं पहुंच पाएगा। इसलिए, इसे अपने स्वयं के उपयोगों और अनुप्रयोगों के साथ एक अलग तकनीक के रूप में देखा जाना चाहिए।

अनुप्रयोग

लिथियम-आयन कैपेसिटर उन अनुप्रयोगों के लिए काफी उपयुक्त हैं जिनके लिए उच्च ऊर्जा घनत्व, उच्च शक्ति घनत्व और उत्कृष्ट स्थायित्व की आवश्यकता होती है। चूंकि वे उच्च ऊर्जा घनत्व को उच्च शक्ति घनत्व के साथ जोड़ते हैं, इसलिए विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में अतिरिक्त विद्युत भंडारण उपकरणों की कोई आवश्यकता नहीं होती है, जिसके परिणामस्वरूप लागत कम होती है।

लिथियम-आयन कैपेसिटर के लिए संभावित अनुप्रयोग हैं, उदाहरण के लिए, पवन ऊर्जा उत्पादन प्रणाली, निर्बाध शक्ति स्रोत सिस्टम (यूपीएस), वोल्टेज का मामला मुआवजा, फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन, औद्योगिक मशीनरी में ऊर्जा रिकवरी सिस्टम, इलेक्ट्रिक और हाइब्रिड वाहन और परिवहन के क्षेत्र में सिस्टम।

पुनर्योजी ब्रेकिंग में एचआईसी (हाइब्रिड आयन कैपेसिटर) उपकरणों का एक महत्वपूर्ण संभावित अंतिम उपयोग है। ट्रेनों, भारी ऑटोमोटिव और अंततः हल्के वाहनों से पुनर्योजी ब्रेकिंग ऊर्जा संचयन एक विशाल संभावित बाजार का प्रतिनिधित्व करता है जो मौजूदा माध्यमिक बैटरी और सुपरकैपेसिटर (इलेक्ट्रोकेमिकल कैपेसिटर और अल्ट्राकैपेसिटर) प्रौद्योगिकियों की सीमाओं के कारण पूरी तरह से शोषित नहीं रहता है।[7]


संदर्भ

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  3. ↑ Japanese patent application No. 56-92626,1981
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बाहरी संबंध

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