रसायन विज्ञान के माध्यम से बैटरी के प्रदर्शन में सुधार

[ * लेख का शीर्षक फैटबॉय स्लीम के पहले स्टूडियो एल्बम, "बेटर लिविंग थ्रू केमिस्ट्री" / लगभग के नाम पर एक भ्रम है। ट्रांस। ]



लीड-एसिड बैटरी को आधुनिक इंजीनियरिंग का चमत्कार नहीं कहा जा सकता है। यह उपयोग करने के लिए बहुत विश्वसनीय और आसान है, और इसे चार्ज करने के लिए आपको बस इसके लिए एक निश्चित वोल्टेज लागू करने और थोड़ा इंतजार करने की आवश्यकता है; परिणामस्वरूप, बैटरी पूरी तरह से चार्ज हो जाती है और पूरी तरह से चार्ज हो जाती है। इस सादगी के दूसरी तरफ उनके आकार, वजन, ऊर्जा घनत्व और सामग्री की विषाक्तता हैं।

लिथियम बैटरी एक आधुनिक हिट है, हालांकि, इसकी उच्च ऊर्जा घनत्व इस तथ्य की ओर जाता है कि इसका छोटा मामला क्रोधित हो सकता है और गलत तरीके से पेश किया जाता है। वैज्ञानिक बैटरी के जीवन को बेहतर बनाने के लिए सुरक्षित बैटरी विकल्प, बेहतर चार्जिंग सिस्टम, फ़ार्मुलों की तलाश कर रहे हैं जिन्हें हजारों बार रिचार्ज किया जा सकता है, और हाल ही में एक प्रकाशन ने बहुत अधिक उत्साहजनक प्रतिक्रियाएं दी हैं।

इलेक्ट्रिक वाहन में बैटरी सेल के लिए आवश्यकताओं पर विचार करें:

• उच्च ऊर्जा घनत्व (एक छोटी बैटरी में बड़ी मात्रा में ऊर्जा)।
• त्वरित शुल्क की संभावना।
• त्वरित निर्वहन की संभावना।
• प्रभारी / निर्वहन चक्र के बहुत सारे।
• कम आत्म निर्वहन।
• सुरक्षा।

फिलहाल, लिथियम-आयन बैटरी सबसे अच्छा विकल्प है, लेकिन लिथियम के साथ रासायनिक प्रतिक्रियाएं बहुत हैं, और नियोजित उपयोग, संतुलन और चार्जिंग के आधार पर, विभिन्न ऑपरेटिंग विशेषताओं के लिए विभिन्न प्रतिक्रिया वेरिएंट को अनुकूलित करना संभव है। जबकि कोई परिपूर्ण बैटरी नहीं है, और परस्पर विरोधी अनुरोध बाजार पर कई विकल्पों की उपलब्धता की गारंटी देते हैं।

लिथियम + आयन कैसे काम करता है

ली-आयन बैटरी का निर्वहन

सभी बैटरी एक ही काम करती हैं। तीन घटक हैं: एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट। एक इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड (एनोड और कैथोड) के बीच एक रासायनिक प्रतिक्रिया, एक इलेक्ट्रोड और दूसरे के पास इलेक्ट्रॉनों के पास आयन बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक संभावित अंतर होता है। इलेक्ट्रोड के जोड़े विभिन्न सामग्रियों से बने होते हैं। एनोड को ग्रेफाइट को तांबे में बांधा जाता है, और कैथोड एल्यूमीनियम को बांधा गया एक लिथियम क्रिस्टल है। इलेक्ट्रोलाइट एक इन्सुलेटर की तरह काम करता है, इसलिए इलेक्ट्रॉनों के लिए बैटरी के अंदर की तुलना में एक सर्किट से दूसरे इलेक्ट्रोड तक जाना आसान होता है। प्रतिक्रिया के अंत में, बैटरी डिस्चार्ज हो जाती है, और प्रतिक्रिया अब नहीं चलेगी यदि इलेक्ट्रॉनों को कहीं नहीं जाना है। बैटरी को चार्ज करने के लिए, प्रक्रिया उलट जाती है, और इलेक्ट्रोलाइट को आपूर्ति की गई वोल्टेज विपरीत दिशा में प्रतिक्रिया शुरू करती है। सभी इलेक्ट्रोलाइट्स समान नहीं बनाए जाते हैं; बैटरी की रसायन विज्ञान, जिसे रिचार्ज नहीं किया जा सकता है, यह अधिक ऊर्जा को स्टोर करने की अनुमति देता है, लेकिन इसमें रिवर्स वोल्टेज के आवेदन से रासायनिक प्रतिक्रिया वापस शुरू नहीं होती है।

इलेक्ट्रोड की सतह क्षेत्र को बढ़ाकर बैटरी की क्षमताओं का सबसे अच्छा पता चलता है, इसलिए एनोड, इलेक्ट्रोलाइट और कैथोड से सैंडविच बनाना जितना संभव हो उतना पतला और एक बड़े संपर्क क्षेत्र के साथ बेहतर है। सैंडविच में अन्य झरझरा सामग्री के कई स्लाइस भी शामिल हैं जो आयनों को गुजरने की अनुमति देते हैं लेकिन सामग्री को पलायन से रोकते हैं। डिवाइडर के साथ बारी-बारी से अपनी बैटरी सैंडविच में से कुछ लें और उन्हें एक साथ ढेर करें। परिणाम या तो एक फ्लैट बैटरी (चांदी आवरण में एक सस्ती सेल), या प्रिज्मीय बैटरी (एक फैशनेबल बैटरी जो आपको लैपटॉप पर नहीं मिलेगी), या यदि आप इसे एक ट्यूब में घुमाते हैं - एक बेलनाकार बैटरी (उदाहरण के लिए, 18650, या एए) ।

मिलियन माइल बैटरी

आपने पहले ही यह खबर पढ़ ली होगी कि टेस्ला एक लाख मील तक चलने वाली बैटरी छोड़ने का वादा करता है। असली काम टेस्ला के साथ एक अनुबंध के तहत हैलिफ़ैक्स (कनाडा) में डलहौज़ी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक समूह द्वारा किया गया था, हालांकि, उन्होंने रासायनिक तत्वों का सबसे अच्छा संयोजन खोजने के लिए विभिन्न ली-आयन बैटरियों पर कई परीक्षण किए, साथ ही उपयोग और चार्जिंग प्रोफाइल भी। एक मिलियन माइल बैटरी केवल एक मार्केटिंग एन्ट्रैपमेंट है जो अनुसंधान का वर्णन करती है जो बैटरी के रासायनिक सूत्रों को उनके बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए अनुकूलित करती है। काम खुद तकनीकी शब्दजाल से भरा है , इसलिए मैंने चयन करने के लिए सभी सप्ताहांत बैटरी के मुद्दे का अध्ययन किया।

उनके "एक मिलियन मील" फार्मूले के बारे में ध्यान देने योग्य पहली बात - यह आज के अधिकांश ड्राइवरों, औसत कार मालिकों के व्यवहार के लिए विशिष्ट नहीं है जो काम और घर पर ड्राइव करते हैं। वैज्ञानिकों ने कार के ऐसे उपयोग का लक्ष्य रखा है, जिसमें लगभग पूर्ण निर्वहन के बाद निरंतर यात्रा और बैटरी चार्ज करना शामिल है। यह स्थिति ट्रक, टैक्सियों और बसों के लिए उपयुक्त है। वे 100% DOD शब्द का उपयोग करते हैं, अर्थात "डिस्चार्ज डेप्थ" तब होता है जब बैटरी को स्टॉप तक उपयोग किया जाता है, और उसके बाद ही इसे चार्ज किया जाता है, इसके विपरीत, उदाहरण के लिए, एक स्मार्टफोन जो हर रात चार्ज पर लगाया जाता है, बैटरी की स्थिति की परवाह किए बिना।

क्या पता चला: ठंड जैसी बैटरी; गर्म नए फार्मूले

उन्होंने पाया कि तापमान बहुत महत्वपूर्ण है। एक बैटरी जिसने अपने जीवन का अधिकांश भाग 20 lastC पर काम किया है वह 40 ;C पर काम करने वाले की तुलना में अधिक समय तक चलेगी; हालाँकि, उच्च तापमान पर काम करने वाली बैटरियां, और फिर कम परिस्थितियों में गिरती हैं, जो कम तापमान पर चलने वाली बैटरियों के समान गति से क्षमता खो देती हैं। दूसरे शब्दों में, उच्च तापमान पर बैटरी की क्षमता तेजी से कम हो जाती है, और कम तापमान पर यह इतनी तेज गति से नहीं खोती है, और कोई भी बैटरी बिना किसी स्मृति प्रभाव के इस ग्राफ पर इधर-उधर जा सकती है। कम तापमान आणविक स्तर पर गिरावट की कम दर प्रदान करते हैं - कम दरारें, डेंड्राइट, गैस पॉकेट, आदि। वे बहुत आराम करते थे कि सब कुछ कम तापमान पर रखना कितना महत्वपूर्ण है।

पिछले प्रयोगों में, शोधकर्ताओं ने रासायनिक तत्वों के अन्य संयोजनों का अध्ययन करने में बहुत समय बिताया, लेकिन एनएमसी 532 ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड (अधिकांश वैज्ञानिक समुदाय की तरह) पर बसे। रसायन विज्ञान में, एनएमसी 532 लीनी _0.5 एमएन _0.3 सह _0.2 ओ _{2 के} लिए एक और नाम है। सरल शब्दों में, इसका मतलब है कि कैथोड मुख्य रूप से लिथियम क्रिस्टल से बना होता है, जिसमें थोड़ी मात्रा में निकल, मैंगनीज, कोबाल्ट और ऑक्सीजन शामिल होते हैं, और एनोड में ग्रेफाइट होता है (हालांकि ग्रेफीन के अध्ययन आशाजनक दिखते हैं)।

हालाँकि, NMC532 / ग्रेफाइट विशेषता बैटरी के लिए संपूर्ण नहीं है। इलेक्ट्रोलाइट को इंगित करना भी आवश्यक है। एक इलेक्ट्रोलाइट LiPF ₆ , सॉल्वैंट्स और एडिटिव्स का एक मिश्रण है, नामों के साथ बहुत ही अजीब रूप से बोला जाता है - जैसे कि डाइमिथाइल कार्बोनेट या एथिलीन सल्फेट। इस काम में, उन्होंने सॉल्वैंट्स के कई संयोजनों का परीक्षण किया। एडिटिव्स जीवन समय को छोटा करके या इसके विपरीत चार्ज / डिस्चार्ज दर को बढ़ाकर सेल के प्रदर्शन को भी प्रभावित कर सकते हैं। पिछले अध्ययनों के आधार पर, उन्हें वास्तव में दो पूरक सूत्र (2% FEC + 1% LFO, और 2% VC + 1% DTD) पसंद थे, हालांकि उन्होंने पाया कि उन्होंने अलग-अलग तापमानों पर अलग-अलग व्यवहार किया, और इच्छित के अनुसार एडिटिव्स चुनने का सुझाव दिया। आवेदन। बैटरियों के निर्माण में, शुष्क घटकों को आम तौर पर पहले बनाया जाता है, जिसमें से तरल इलेक्ट्रोलाइट को जोड़ा जाता है (स्पार्कफुन ने उत्पादन प्रक्रिया का वर्णन करते हुए एक विस्तृत लेख किया)।

एक विशेष सूत्र का चयन करके और कम परिचालन तापमान को बनाए रखते हुए, शोधकर्ताओं ने बैटरी क्षरण के दो मुख्य कारणों को कम करने में सक्षम थे; लिथियम की हानि और प्रतिबाधा में वृद्धि। औसतन, समय के साथ, लिथियम आयन, यहां और वहां घूम रहे हैं, उन जगहों पर चढ़ते हैं जो उन्हें काम करने की अनुमति नहीं देते हैं। वे विद्युत रूप से अलग-थलग हो सकते हैं, प्लेटों, डेंड्राइट्स और सतह की फिल्मों में वर्गीकृत होते हैं, सेल के अन्य घटकों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, और चार्जिंग और निर्वहन में भाग नहीं लेते हैं। डेंड्राइट विशेष रूप से हानिकारक हैं - तेज लिथियम सुइयों के रूप में ये क्रिस्टल, विभाजक और शॉर्ट-सर्किट सेल को छेद सकते हैं, जो तब गर्म होता है और एक आत्मनिर्भर प्रतिक्रिया की ओर जाता है, और अंततः एक विस्फोट के लिए। इलेक्ट्रोड की जंग और उपयोगी सतह क्षेत्र के नुकसान के कारण प्रतिबाधा बढ़ जाती है, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण, खुर या इलेक्ट्रोड को रोकने वाली एक प्रतिरोधक सतह परत के गठन के कारण।


बैटरी की गिरावट के तरीके। उनमें से बहुत सारे हैं, लेकिन संक्षेप में वे इस तथ्य पर उतरते हैं कि "परमाणु चलते हैं जहां उन्हें ज़रूरत नहीं है"

उनके अध्ययन ने जिन कारणों पर ध्यान आकर्षित किया, उनमें से एक यह था कि यह स्पष्ट और खुला था। तीन साल लग गए, इसने हर बैटरी को हजारों चार्जिंग और डिस्चार्जिंग साइकल के माध्यम से चलाने के लिए लिया, जिसमें बेहद सटीक चार्जिंग और डिस्चार्जिंग उपकरणों का उपयोग किया गया, जो बैटरी की क्षमता को रिकॉर्ड करते हैं - और सभी में सबसे अधिक डेटा प्राप्त करने के लिए। त्वरित मोड में बैटरी जीवन चक्र को मापना आमतौर पर काफी कठिन होता है; बैटरियां सामान्य जीवन में आवश्यकता से अधिक चार्ज / डिस्चार्जिंग गति के अधीन होती हैं, और कम वसूली समय प्राप्त करती हैं। तथ्य यह है कि शोधकर्ताओं ने अपने काम पर इतना समय बिताया है और अधिक यथार्थवादी परिणाम बताता है। उन्होंने यह भी स्पष्ट रूप से संकेत दिया है:

वाणिज्यिक कोशिकाओं के उपयोग का वर्णन करने वाली रिपोर्टों के विपरीत, हमने अपनी बैटरी के सभी विवरणों का पूरा विवरण शामिल किया, जिसमें इलेक्ट्रोड की संरचना, इलेक्ट्रोलाइट की संरचना, उपयोग किए गए एडिटिव्स आदि शामिल हैं। ऐसा इसलिए किया जाता है ताकि अन्य लोग इन कोशिकाओं को पुन: उत्पन्न कर सकें और उनका उपयोग अपनी जाँच के लिए कर सकें।

सार्वजनिक क्षेत्र में पोस्ट किए गए व्यावसायिक समर्थन, और यहां तक ​​कि क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत एक अध्ययन को देखने के लिए यह बदलाव के लिए अच्छा है।

काम के खुलेपन के बावजूद, हम निकट भविष्य में घर में निर्मित ली-आयन बैटरी नहीं देखेंगे। शायद हम प्रस्तावित फ़ार्मुलों में एक क्रमिक संक्रमण देखेंगे, और हम शीतलन को अधिक प्रभाव देना चाहेंगे, क्योंकि यह बैटरी जीवन को काफी बढ़ाता है। हमें यकीन है कि अगर आपको बैटरी की जरूरत है, तो टेस्ला जल्द ही इसे अपने एक गिगाफैक्टरीज से आपको बेच सकेगी।