लिथियम-आयन बैटरियां आत्म-निर्वहन क्यों करती हैं? कारण और इसे कैसे कम करें

लिथियम-आयन बैटरियों का स्व-निरावेशन संदर्भित करता है प्राकृतिक गिरावट चार्ज/वोल्टेज में जब बैटरी को किसी बाहरी परिपथ से जुड़ा नहीं गया होता (अर्थात, खुली परिपथ स्थिति में) । यह सभी बैटरियों की एक अंतर्निहित विशेषता है, यद्यपि विभिन्न स्तरों तक। जबकि लिथियम-आयन बैटरियों की स्व-निरावेशन दर अपेक्षाकृत कम होती है, फिर भी यह होता रहता है। मुख्य कारणों को निम्नानुसार वर्गीकृत किया जा सकता है:

1. अपरिहार्य रासायनिक पार्श्विक अभिक्रियाएँ (सामान्य स्व-निरावेशन):

(1) एसईआई फिल्म का निर्माण और विघटन:

एनोड की सतह (आमतौर पर ग्रेफाइट) पर एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (SEI) फिल्म होती है। यह फिल्म प्रारंभिक चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान बनती है और बैटरी के सही कार्य के लिए महत्वपूर्ण होती है। हालाँकि, SEI फिल्म पूरी तरह से स्थिर नहीं होती। भंडारण के दौरान, विशेष रूप से उच्च तापमान पर, SEI फिल्म धीरे-धीरे घुल जाती है और पुनर्गठित हो जाती है। इस पुनर्गठन में लिथियम आयन और इलेक्ट्रोलाइट की खपत होती है, जिससे क्षमता में कमी और वोल्टेज में गिरावट आती है। लिथियम-आयन बैटरी में स्व-निर्वहन के प्राथमिक कारणों में से यह एक है।

(2) इलेक्ट्रोलाइट का ऑक्सीकरण/अपचयन:

कैथोड सामग्री (जैसे लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO₂), लिथियम निकल कोबाल्ट मैंगनीज ऑक्साइड (NCM), और लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO₄)) चार्जित अवस्था में उच्च ऑक्सीकरण गतिविधि प्रदर्शित करती हैं। इलेक्ट्रोलाइट में विलायक (जैसे एथिलीन कार्बोनेट (EC) और डाइमेथाइल कार्बोनेट (DMC)) और योजक, जब लंबे समय तक कैथोड के उच्च विभव के संपर्क में आते हैं, तो धीमी ऑक्सीकरण अपघटन प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं। इसी तरह, एनोड की ओर, SEI फिल्म की सुरक्षा के बावजूद, इलेक्ट्रोलाइट के न्यूनतम मात्रा में अपचयन अपघटन हो सकता है। ये रेडॉक्स पार्श्व प्रतिक्रियाएँ सक्रिय लिथियम आयनों की खपत करती हैं, जिससे क्षमता में कमी आती है।

(3) सक्रिय सामग्री में अशुद्धि प्रतिक्रियाएँ : इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री या करंट कलेक्टर्स में मौजूद अशुद्धियाँ (जैसे धातु आयन Fe, Cu, Zn, आदि) इलेक्ट्रोड्स के बीच सूक्ष्म स्थानीय शॉर्ट सर्किट बना सकती हैं या अवांछित प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकती हैं, जिससे आवेश की खपत होती है।

2. आंतरिक सूक्ष्म शॉर्ट सर्किट (निर्माण दोष या बूढ़ापे के कारण):

(1) डायाफ्राम दोष: डायाफ्राम पर सूक्ष्म सुई के छेद, अशुद्धियाँ या कमजोर जगह चार्ज और निर्वहन चक्रों या लंबे समय तक भंडारण के बाद धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के बीच सूक्ष्म इलेक्ट्रॉन चालन (सूक्ष्म लघु परिपथ) का कारण बन सकते हैं, जिससे सीधे चार्ज लीकेज होता है। यह असामान्य रूप से उच्च स्व-निर्वहन का मुख्य कारण है। इसके अतिरिक्त, यद्यपि डायाफ्राम स्थूल स्तर पर इलेक्ट्रॉन चालन को रोकता है और केवल आयनों को पार करने की अनुमति देता है, सूक्ष्म स्तर पर, इलेक्ट्रोड सामग्री स्वयं या चालक एजेंट नेटवर्क इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से अत्यंत कमजोर इलेक्ट्रॉन लीकेज पथ बना सकते हैं।

(2) डेंड्राइट प्रवेश: उन बैटरियों में जो अति चार्ज हो गई हों, कम तापमान पर चार्ज की गई हों या अत्यधिक पुरानी हों, लिथियम धातु ऋणात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर असमान रूप से जमा हो सकती है, जिससे डेंड्राइट का निर्माण होता है। तीखे डेंड्राइट सेपरेटर को भेद सकते हैं, धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड को जोड़ सकते हैं, और आंतरिक लघु परिपथ का कारण बन सकते हैं।

(3) निर्माण प्रक्रिया के दौरान धातु का धूल: यदि उत्पादन प्रक्रिया के दौरान धातु का धूल (जैसे इलेक्ट्रोड काटने पर उत्पन्न होने वाला) इलेक्ट्रोड या डायाफ्राम के बीच रह जाता है, तो इससे सूक्ष्म लघु परिपथ भी हो सकता है। पूर्ण रूप से धूल-मुक्त उत्पादन संभव नहीं है। जब धूल डायाफ्राम को भेदने और धनात्मक व ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के बीच लघु परिपथ उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त नहीं होता, तो बैटरी पर इसका प्रभाव महत्वपूर्ण नहीं होता; हालाँकि, जब धूल डायाफ्राम को भेदने के लिए पर्याप्त गंभीर होता है, तो बैटरी पर इसका प्रभाव बहुत महत्वपूर्ण होता है।

3. तापमान का प्रभाव:

तापमान में से एक सबसे महत्वपूर्ण कारक है। उच्च तापमान स्व-निर्वहन (SEI फिल्म विकास, इलेक्ट्रोलाइट अपघटन, अशुद्धि अभिक्रियाएँ, आदि) के कारण होने वाली सभी रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर को काफी तेज कर देता है, जिससे स्व-निर्वहन दर में तेजी से वृद्धि होती है। इसलिए, लंबे समय तक बैटरी का भंडारण कम तापमान पर किया जाना चाहिए (लेकिन जमने से बचना चाहिए)।

4. स्व-निर्वहन का प्रभाव:

क्षमता में कमी: सबसे सीधा प्रभाव उपलब्ध बैटरी क्षमता में कमी है।

वोल्टेज ड्रॉप: संग्रहण अवधि के साथ खुले परिपथ वोल्टेज में कमी आती है।

त्वरित बुढ़ापा: स्व-निर्वहन के दौरान पार्श्विक अभिक्रियाएँ (जैसे लगातार SEI वृद्धि) सक्रिय लिथियम और इलेक्ट्रोलाइट की खपत करती हैं, जो स्वयं एक बूढ़ा होने का तंत्र है।

आवेश की स्थिति का अनुमान लगाने में कठिनाई: स्व-निर्वहन अकेले वोल्टेज के आधार पर शेष आवेश को सटीक रूप से निर्धारित करना कठिन बना देता है।

सुरक्षा जोखिम (चरम मामलों में): असामान्य रूप से उच्च स्व-निर्वहन (जैसे गंभीर आंतरिक सूक्ष्म लघु परिपथ) बैटरी तापमान में वृद्धि का कारण बन सकता है और यहां तक कि तापीय असंतुलन को भी ट्रिगर कर सकता है।

बैटरी स्व-निर्वहन के लिए मुख्य निरसन उपाय निम्नलिखित हैं:

(1) बैटरी डिजाइन और सामग्री को अनुकूलित करें: sEI झिल्ली के स्थिरता में सुधार करें, ऑक्सीकरण प्रतिरोध क्षमता वाले इलेक्ट्रोलाइट और उच्च शुद्धता वाली सामग्री विकसित करें, और डायाफ्राम की गुणवत्ता में सुधार करें।

(2) भंडारण की स्थिति पर नियंत्रण रखें:

तापमानः सबसे महत्वपूर्ण बात! बैटरी को भंडारित करने का प्रयास करें निम्न तापमान (उदाहरण के लिए 10°C-25°C, 0°C से नीचे के तापमान से बचें).

आवेश की स्थिति: जब बैटरी को लंबे समय तक भंडारित किया जा रहा हो, तो इसे मध्यम आवेश स्थिति तक चार्ज करें (उदाहरण के लिए, 40%-60%)। पूर्ण चार्ज स्थिति धनात्मक इलेक्ट्रोड द्वारा इलेक्ट्रोलाइट के ऑक्सीकरण को तेज कर देगी, जबकि पूरी तरह से खाली स्थिति ऋणात्मक इलेक्ट्रोड को अत्यधिक डिस्चार्ज के कारण क्षति पहुँचा सकती है।

(3) नियमित रीचार्जिंग: लंबे समय तक निष्क्रिय रहने वाली बैटरियों के लिए, वोल्टेज/एसओसी की नियमित रूप से जाँच करें, और जब बिजली बहुत कम हो जाए तो उचित चार्जिंग (जैसे 50% तक चार्ज करना) करें ताकि गहरी डिस्चार्ज और बैटरी को होने वाले नुकसान से बचा जा सके।

(4) निर्माण प्रक्रिया पर सख्त नियंत्रण: डायाफ्राम की गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए अशुद्धियों और धातु के धूल को कम करें।

लिथियम-आयन बैटरी स्व-निर्वहन मुख्य रूप से आंतरिक रासायनिक पार्श्विक प्रतिक्रियाओं के कारण होता है, जैसे नकारात्मक इलेक्ट्रोड SEI फिल्म की अस्थिरता और इलेक्ट्रोड सतह (विशेष रूप से धनात्मक इलेक्ट्रोड) पर इलेक्ट्रोलाइट का धीमा ऑक्सीकरण/अपचयन अपघटन। निर्माण दोषों (जैसे सेपरेटर दोष और अशुद्धियों) के कारण आंतरिक सूक्ष्म लघुपथ असामान्य रूप से उच्च स्व-निर्वहन दर का कारण बन सकते हैं . तापमान स्व-निर्वहन दर को प्रभावित करने वाला सबसे बड़ा बाहरी कारक है । स्व-निर्वहन के कारणों को समझने से बैटरी के उपयोग और भंडारण रणनीति को अनुकूलित करने में मदद मिल सकती है, जिससे बैटरी के जीवन को बढ़ाया जा सकता है।