लिथियम-आयन बैटरी की क्षमता कम क्यों होती है?

लिथियम-आयन बैटरी क्षमता क्षय से तात्पर्य उस घटना से है जिसमें लिथियम-आयन बैटरी समय के साथ और बैटरी जीवन के साथ अपनी उपलब्ध क्षमता धीरे-धीरे खो देती है। क्षमता क्षय का तंत्र क्या है?

1. आयतन में परिवर्तन

बैटरी के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, लिथियम आयन अंदर और बाहर जाते हैं, जिससे सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के जालक विभिन्न मात्रा में फैलते/सिकुड़ते हैं।

ए. कैथोड सामग्री की सूक्ष्म संरचना में परिवर्तन होता है, जिसके परिणामस्वरूप लिथियम के प्रवेश की मात्रा में कमी आती है। अति-चार्ज स्थितियों में, लिथियम आयन एनोड पर तेजी से प्रवास करते हैं, जिससे कैथोड जालक ढह जाता है।

बी. ग्रेफाइट एनोड के प्रवेश और निकालने के दौरान आयतन में परिवर्तन लिथियम आयन 10% तक पहुंच सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कणों की स्तरीकरण होता है।

2. SEI फिल्म का निर्माण

बैटरी फॉर्मेशन चरण के दौरान, लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट के कुछ घटकों के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं और प्रारंभिक चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच के इंटरफ़ेस पर एक अपरिवर्तनीय ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस बनाते हैं। चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, SEI लगातार टूटती और पुनर्जीवित होती रहती है, जिसके परिणामस्वरूप सक्रिय लिथियम आयनों में कमी, SEI फिल्म की मोटाई में वृद्धि और आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि होती है।

3. लिथियम डेंड्राइट वृद्धि

निम्न तापमान, त्वरित चार्जिंग और अति चार्जिंग की स्थितियों में, लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ते रहते हैं। लिथियम आयन के निष्कर्षण की दर लिथियम आयन के एम्बेडिंग की दर से अधिक होती है, जिसके परिणामस्वरूप नकारात्मक इलेक्ट्रोड के पास लिथियम आयनों का निक्षेपण होता है और सक्रिय लिथियम में कमी आती है।

4. इलेक्ट्रोलाइट अपघटन

इलेक्ट्रोलाइट विघटन मुख्य रूप से दो मार्गों के माध्यम से होता है: इलेक्ट्रोकेमिकल विघटन और रासायनिक विघटन। इलेक्ट्रोकेमिकल विघटन को सकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्ष पर ऑक्सीकरण विघटन और नकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्ष पर अपचयन विघटन में विभाजित किया जाता है। सकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्ष पर ऑक्सीकरण विघटन तब होता है जब सकारात्मक इलेक्ट्रोड की क्षमता >4.5V होती है, जिससे बैटरी का फूलना और इंटरफ़ेसियल प्रतिबाधा में वृद्धि होती है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्ष पर अपचयन विघटन तब होता है जब ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड की क्षमता <0.8V होती है, जिससे बैटरी की SEI मोटी हो जाती है और सक्रिय लिथियम कम हो जाता है। रासायनिक विघटन को अवशिष्ट जल-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं और उच्च तापमान विघटन अभिक्रियाओं में विभाजित किया जाता है। अवशिष्ट जल-उत्प्रेरित अभिक्रियाएं सकारात्मक इलेक्ट्रोड की जंग लगने का कारण बनती हैं। उच्च तापमान विघटन अभिक्रियाएं इलेक्ट्रोलाइट को सूखने का कारण बनती हैं, जिससे थर्मल रनअवे की ओर झुकाव होता है।

5. करंट कलेक्टर की जंग

वर्तमान संग्राहक संक्षारण को उच्च क्षमता पर सकारात्मक इलेक्ट्रोड के एल्यूमिनियम पन्नी के संक्षारण और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के तांबे के पन्नी के संक्षारण के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। जब सकारात्मक इलेक्ट्रोड की क्षमता 3.8V से अधिक हो जाती है, तो सकारात्मक इलेक्ट्रोड का एल्यूमिनियम पन्नी ऑक्सीकृत और संक्षारित हो जाता है। अतिआवेशन की स्थिति में, जब नकारात्मक इलेक्ट्रोड की क्षमता 3V से कम होती है, तो तांबे का पन्नी घुल जाता है, सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर पहुंच जाता है और सकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर जमा हो जाता है।

कभी-कभी चालक एजेंटों की विफलता और डायाफ्राम की आयु भी बाधित हो सकती है।