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 संकर प्रकार का संधारित्र है जिसे एक प्रकार के उत्तम संधारित्र के रूप में वर्गीकृत किया गया है। इसे संकर कहा जाता है क्योंकि एनोड वही होता है जो लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किया जाता है और कैथोड वही होता है जो उत्तम संधारित्र में उपयोग किया जाता है। सक्रिय कार्बन सामान्यत: कैथोड के रूप में प्रयोग किया जाता है। लिथियम-आयन संधारित्र के एनोड में कार्बन सामग्री होती है जो प्राय: लिथियम आयनों के साथ पूर्व-अपमिश्रित होती है। यह पूर्व-अपमिश्रण प्रक्रिया एनोड की क्षमता को कम करती है और अन्य उत्तम संधारित्र की तुलना में अपेक्षाकृत उच्च उत्पादन 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 आकारहीन कार्बन युक्त सामग्री उच्च-ऊर्जा-घनत्व वाले पुनर्भरण उपकरणों में इलेक्ट्रोड के रूप में अच्छा प्रदर्शन करती है। केनेबो कंपनी द्वारा 1980 के दशक की प्रारंभ में पेटेंट दायर किए गए थे। [3] और संधारित्र नहीं और लिथियम-आयन संधारित्र के व्यावसायीकरण के प्रयास प्रारंभ हुए। (पीएएस) पोलयसेनिक सेमीकंडक्टर संधारित्र का पहली बार उपयोग 1986 में किया गया था,[4] और 1991 में लिथियम-आयन संधारित्र का उपयोग किया गया था।

2001 तक यह नहीं था[5] कि एक खोज समूह संकर आयन संधारित्र के विचार को अस्तित्व में लाने में सक्षम था। इलेक्ट्रोड और विद्युतअपघट्य प्रदर्शन और चक्र जीवन को बेहतर बनाने के लिए बहुत से खोज किए गए थे लेकिन 2010 तक ऐसा नहीं था कि नाओई एट अल। कार्बन नैनोफाइबर के साथ एलटीओ (लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड) के सूक्ष्म-संरचनात्मक सम्मिश्रण को विकसित करके एक वास्तविक सफलता प्राप्त की। [6] वर्तमान काल में, रुचि का एक अन्य क्षेत्र सोडियम आयन संधारित्र (एनआईसी) है क्योंकि सोडियम लिथियम की तुलना में बहुत सस्ता है। फिर भी, लिथियम-आयन संधारित्र अभी भी सोडियम आयन संधारित्र से बेहतर प्रदर्शन करती है, इसलिए यह वर्तमान में आर्थिक रूप से व्यवहार के योग्य नहीं है। [7]


अवधारणा

सुपरसंधारित्र और संबंधित प्रकारों का श्रेणीबद्ध वर्गीकरण

लिथियम-आयन संधारित्र एक संकर विद्युत रासायनिक ऊर्जा संचायक युक्ति है जो लिथियम आयन बैटरी एनोड के मध्यनिवेश क्रियाविधि को विद्युत दोहरी-परत संधारित्र के कैथोड के दोहरी-परत क्रियाविधि से जोड़ता है। एक नकारात्मक बैटरी-प्रकार एलटीओ (लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड) इलेक्ट्रोड और एक सकारात्मक संधारित्र प्रकार सक्रिय कार्बन (एसी) के संयोजन के परिणामस्वरूप कैल्शीयम का ऊर्जा घनत्व होता है। 20 Wh/kg जो एक मानक विद्युत दोहरी-परत संधारित्र का लगभग 4-5 गुना है। हालाँकि, बिजली घनत्व को विद्युत दोहरी-परत संधारित्र 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 प्राय: सक्रिय कार्बन का उपयोग किया जाता है,यह प्रभारी एक दोहरी-परत संधारित्र में संग्रहीत होते हैं जो इलेक्ट्रोड और विद्युतअपघट्य के बीच अंतराफलक में विकसित होते हैं। विद्युत दोहरी-परत की तरह, लिथियम-आयन संधारित्र वोल्टेज रैखिक रूप से भिन्न होते हैं जो उन्हें प्रणाली में एकीकृत करने वाली जटिलताओं को जोड़ते हैं जिनमें इलेक्ट्रानिकी शक्ति होती हैं जो बैटरी के अधिक स्थिर वोल्टेज की अपेक्षा करते हैं। परिणामस्वरूप, लिथियम-आयन संधारित्र में उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, जो वोल्टेज के वर्ग के साथ बदलता रहता है। एनोड की धारिता कैथोड की तुलना में परिमाण के कई क्रम हैं। परिणामस्वरूप, प्रभारी और निर्वहन के दौरान एनोड क्षमता का परिवर्तन कैथोड क्षमता में परिवर्तन से बहुत छोटा होता है।

एनोड

लिथियम-आयन संधारित्र 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 प्रभारी 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 स्थिरवैद्युतिकी प्रक्रिया में सम्मिलित होता है न कि विद्युत्-रसायनिकी प्रक्रिया में है।

एनोड के दो समूह होते हैं। पहला समूह विद्युत रासायनिक सक्रिय प्रजातियों और कार्बनयुक्त सामग्री के संकर हैं। दूसरा समूह सूक्ष्म संरचित एनोड सामग्री है। लिथियम-आयन संधारित्र का एनोड मूल रूप से एक मध्यनिवेश प्रकार की बैटरी सामग्री है जिसमें सुस्त रासायनिक बलगति विज्ञान है। यद्यपि, लिथियम-आयन संधारित्र में एक एनोड को नियोजित करने के लिए, किसी को संकर एनोड सामग्री रचना करके संधारित्र के गुणों की ओर थोड़ा सा झुकाव करने की आवश्यकता होती है। संकर सामग्री को संधारित्र और बैटरी प्रकार भन्डारण तंत्र का उपयोग करके तैयार किया जा सकता है। [1] वर्तमान में, सबसे अच्छी विद्युत रासायनिक प्रजाति लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड (एलटीओ) है, 2
Li4Ti5O12, उच्च फैराडे दक्षता, स्थिर परिचालन वोल्टेज पठार और लिथियम सम्मिलन / मरुस्थलीकरण के दौरान नगण्य मात्रा परिवर्तन जैसे असाधारण गुणों के कारण। लिथियम-आयन संधारित्र में खराब विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता और लिथियम आयन द्रव्यमान विस्तार करता है इसलिए एक संकर की C है। [9] लिथियम-आयन संधारित्र के लाभ महान विद्युत चालकता और कार्बन पुटीन जैसे कार्बन युक्त सामग्री के आयनिक प्रसार के साथ संयुक्त रूप से आर्थिक रूप से व्यवहार योग्य लिथियम-आयन संधारित्र की ओर ले जाते हैं।

लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड (एलटीओ) की इलेक्ट्रोड क्षमता -1.5 V बनाम Li/Li+ के आसपास बहुत स्थिर है। चूंकि कार्बन युक्त सामग्री का उपयोग किया जाता है, इसलिए ग्रेफाइटिक इलेक्ट्रोड क्षमता जो प्रारंभ में -0.1 वाल्ट बनाम (मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड) पर है, लिथियम आयनों को आपस में जोड़कर -2.8 V तक कम किया जाता है। इस उपाय को अपमिश्रण के रूप में जाना जाता है और प्राय: डिवाइस में एनोड और बलिदान लिथियम इलेक्ट्रोड के बीच होता है। एनोड को अपमिश्रण करने से एनोड की क्षमता कम हो जाती है और संधारित्र के उच्च उत्पादक वोल्टेज की ओर जाता है। सामान्यत:, लिथियम-आयन संधारित्र के लिए उत्पादन 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।

सूक्ष्म संरचित सामग्री एक उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र के साथ धातु के आक्साइड हैं। उनका मुख्य लाभ यह है कि यह विद्युतअपघट्यिक प्रजातियों के प्रसार मार्गों को कम करके एनोड की दर क्षमता को बढ़ाने का एक प्रकार है। बिजली घनत्व बढ़ाने के लिए कार्बन नैनोट्यूब (एकल और बहु-दीवार वाले), सूक्ष्मकणों, सूक्ष्मतारों और सूक्ष्ममनका सहित सूक्ष्म संरचना 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 कठोर कार्बन,[6][10][11] नाजुक कार्बन और ग्राफीन आधारित कार्बन है।[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

लिथियम-आयन संधारित्र का कैथोड ऊर्जा को एकत्र करने के लिए एक विद्युत दोहरी-परत 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 लिथियम-आयन संधारित्र में विभिन्न कैथोड का उपयोग किया गया है। इन्हें चार समूहों में क्रमबद्ध किया जा सकता है:हेटेरोएटम-अपमिश्रित कार्बन, ग्राफीन-आधारित कार्बन, छिद्रपूर्ण कार्बन और द्विभाजित कैथोड है।

हेटेरोएटम-अपमिश्रित कार्बन अभी तक केवल नाइट्रोजन के साथ मिलाया गया है। नाइट्रोजन के साथ अपमिश्रण सक्रिय कार्बन कैथोड की संधारिता 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]

छिद्रपूर्ण 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 कार्य करने के लिए दोहरी परत के प्रभाव के लिए आयनों को दोहरी परत और विभाजक के बीच जाना पड़ता है। एक पदानुक्रमित छिद्र संरचना होने से यह तेज़ और आसान हो जाता है।

द्विकार्यात्मक कैथोड अपने विद्युत दोहरी-परत संधारित्र गुणों और उनके अच्छे Li+ के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के संयोजन का उपयोग करते हैं लिथियम-आयन संधारित्र के ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने के लिए अंतर्संबंध गुण है। [1]इसी तरह के विचार को एनोड सामग्री पर लागू किया गया था, जहां उनके गुणों को एक संधारित्र की ओर थोड़ा सा झुकाया गया था।

पूर्व-लिथियेशन (पूर्व-अपमिश्रण)

प्रभारी और निर्वहन चक्रों के दौरान एनोड को बड़ी संभावित गिरावट का अनुभव करने से विराम के लिए लिथियम-आयन संधारित्र के एनोड को प्राय: पूर्व-लिथियेट किया जाता है। जब एक लिथियम-आयन संधारित्र अपने अधिकतम या न्यूनतम वोल्टेज के पास आता है तो विद्युतअपघट्य और इलेक्ट्रोड ख़राब होने लगते हैं। यह अपरिवर्तनीय रूप से यंत्र को नुकसान पहुंचाएगा और गिरावट वाले उत्पाद आगे की गिरावट को उत्प्रेरित करेंगे।

पूर्व्-लिथियेशन का एक अन्य कारण यह है कि उच्च क्षमता वाले इलेक्ट्रोड प्रारंभिक प्रभारी और निर्वहन चक्र के बाद अपरिवर्तनीय रूप से क्षमता खो देते हैं। यह मुख्य रूप से एक ठोस विद्युतअपघट्य अंतरावस्था फिल्म के निर्माण के लिए जिम्मेदार है। इलेक्ट्रोड के पूर्व-लिथियेशन द्वारा विद्युतअपघट्य अंतरावस्था गठन के लिए लिथियम आयनों के नुकसान की मुख्य रूप से भरपाई की जा सकती है। सामान्यत:, लिथियम-आयन संधारित्र का एनोड पूर्व-लिथियेटेड होता है क्योंकि कैथोड लीथियम-मुक्त होता है और लिथियम सम्मिलन/निर्वासन प्रक्रियाओं में भाग नहीं लेगा। [18]


विद्युतअपघट्य

प्रय: किसी भी ऊर्जा भंडारण उपकरण का तीसरा भाग विद्युतअपघट्य है। विद्युतअपघट्य 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। लिथियम-आयन संधारित्र के लिए विद्युतअपघट्य आदर्श रूप से एक उच्च आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) है जैसे कि लिथियम आयन सरलता से एनोड तक पहुंच सकते हैं। सामान्यत:, इसे प्राप्त करने के लिए जलीय विद्युतअपघट्य का उपयोग किया जाएगा, लेकिन पानी लिथियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करेगा, इसलिए गैर-जलीय विद्युतअपघट्य का प्राय: उपयोग किया जाता है। लिथियम-आयन संधारित्र में प्रयुक्त विद्युतअपघट्य एक लिथियम-आयन नमक समाधान है जिसे अन्य कार्बनिक घटकों के साथ जोड़ा जा सकता है और सामान्य्त: लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किए जाने वाले के समान होता है।

सामान्य्त:, कार्बनिक विद्युतअपघट्य का उपयोग किया जाता है जिनमें जलीय विद्युतअपघट्य उत्तम संधारित्र (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 प्राय: रैखिक (एथिलीन कार्बोनेट) और चक्रीय (डाइमिथाइल कार्बोनेट) कार्बोनेट जोड़े जाते हैं और ये ठोस विद्युतअपघट्य अंतरावस्था गठन स्थिरता को भी बढ़ाते हैं। जहां बाद वाले का मतलब है कि प्रारंभी चक्रों के बाद ज्यादा ठोस विद्युतअपघट्य अंतरावस्था बनने की संभावना कम है। विद्युतअपघट्य की एक अन्य श्रेणी अकार्बनिक ग्लास और चीनी मिट्टी का विद्युतअपघट्य हैं। इनका प्राय:उल्लेख नहीं किया जाता है, लेकिन उनके पास उनके अनुप्रयोग होते हैं और कार्बनिक विद्युतअपघट्य की तुलना में उनके अपने फायदे और नुकसान होते हैं जो मुख्य रूप से उनकी छिद्रपूर्ण संरचना से आते हैं। [19]

एक विभाजक एनोड और कैथोड के बीच सीधे विद्युत संपर्क को रोकता है। लिथियम-आयन संधारित्र की क्षमताओं को कम करने वाले विद्युतअपघट्य के साथ प्रतिक्रिया करने से विराम के लिए इसे रासायनिक रूप से निष्क्रिय होना चाहिए। यद्दपि, विभाजक को आयनों के माध्यम से जाने देना चाहिए, लेकिन बनने वाले इलेक्ट्रॉनों को नहीं, क्योंकि इससे लघु-परिपथ बन जाएगा।

गुण

लिथियम-आयन संधारित्र के विशिष्ट गुण हैं

  • संधारित्र की तुलना में उच्च सहनशीलता, बड़े एनोड की वजह से, यद्दपि लीथियम-आयन सेल की तुलना में कम क्षमता है
  • संधारित्र की तुलना में उच्च ऊर्जा घनत्व (14 Wh/kg) बताया गया है[20]), यद्दपि लीथियम-आयन सेल की तुलना में कम ऊर्जा घनत्व
  • उच्च विद्युत शक्ति घनत्व
  • उच्च विश्वसनीयता
  • ऑपरेटिंग तापमान -20 डिग्री सेल्सियस से 70 डिग्री सेल्सियस तक है[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), विद्युत दोहरी-परत संधारित्र और लिथियम-आयन संधारित्र 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 (प्रभारी चक्रों की संख्या)।

लिथियम-आयन संधारित्र की बैटरी की तुलना में उच्च शक्ति घनत्व है, और लिथियम-आयन बैटरी | लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में अधिक सुरक्षित हैं, जिसमें निरंकुश ऊष्म वायु प्रवाह प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं।

विद्युत दोहरी-परत संधारित्र की तुलना में, लिथियम-आयन संधारित्र का उत्पादक वोल्टेज अधिक है। यद्दपि उनके पास समान शक्ति घनत्व है, लिथियम-आयन संधारित्र में अन्य उत्त्म संधारित्र की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व है। चित्र 1 में रैगोन प्लॉट से पता चलता है कि लिथियम-आयन संधारित्र लिथियम-आयन बैटरी, की उच्च ऊर्जा को विद्युत दोहरी-परत संधारित्र की उच्च शक्ति घनत्व के साथ जोड़ती है।

लिथियम-आयन संधारित्र का चक्र जीवन प्रदर्शन बैटरी की तुलना में बहुत अच्छा है और विद्युत दोहरी-परत संधारित्र के पास नहीं है। कुछ लिथियम-आयन संधारित्र का चक्र लंबा होता है लेकिन यह प्राय: कम ऊर्जा घनत्व की कीमत पर होता है।

अंत में, लिथियम-आयन संधारित्र शायद लिथियम-आयन बैटरी की ऊर्जा घनत्व तक कभी नहीं पहुंच पाएगा और कभी भी उत्तम संधारित्र 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 संधारित्र उन अनुप्रयोगों के लिए बहुत 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 संधारित्र के लिए संभावित अनुप्रयोग हैं, उदाहरण के लिए, पवन ऊर्जा उत्पादन प्रणाली, निर्बाध शक्ति स्रोत प्रणाली, वोल्टेज अवतलन प्रतिपूर्ति, फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन, औद्योगिक मशीनरी में ऊर्जा वसूलि प्रणालि, विद्युत और विद्युत वाहन और परिवहन के क्षेत्र में प्रणाली है।

पुनर्योजी ब्रेक में संकर आयन संधारित्र उपकरणों का एक महत्वपूर्ण संभावित अंतिम उपयोग है। ट्रेनों, भारी ऑटोमोटिव और अंततः हल्के वाहनों से पुनर्योजी ब्रेक ऊर्जा संचयन एक विशाल संभावित बाजार का प्रतिनिधित्व करता है जो मौजूदा माध्यमिक बैटरी और उत्तम संधारित्र विद्युत रासायनिक संधारित्र और अतिसंधारित्र प्रौद्योगिकियों की सीमाओं के कारण पूरी तरह से शोषित नहीं रहता है। [7]


संदर्भ

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बाहरी संबंध

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