लिथियम-आयन बैटरियों के लिए फोम निकल पर अध्ययन

1 परिचय

नए ऊर्जा वाहनों, ऊर्जा भंडारण बिजली स्टेशनों और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए मुख्य ऊर्जा भंडारण उपकरण के रूप में, लिथियम-आयन बैटरियों का ऊर्जा घनत्व, चक्र जीवन और सुरक्षा सीधे तौर पर डाउनस्ट्रीम उद्योगों की विकास सीमा निर्धारित करते हैं।निकल फोम अपनी "संरचना-प्रदर्शन" सहक्रियात्मक लाभों पर भरोसा करते हुए, इसने पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी धारा संग्राहकों की कम दक्षता और सक्रिय पदार्थों के अपर्याप्त उपयोग जैसी समस्याओं के समाधान में उत्कृष्ट प्रदर्शन किया है। यह उच्च-प्रदर्शन लिथियम-आयन बैटरियों के अनुसंधान और विकास के लिए एक प्रमुख सहायक पदार्थ बन गया है। यह पत्र इसकी मुख्य विशेषताओं, क्रियाविधि और अनुप्रयोग प्रगति का विश्लेषण करता है।

2. फोम निकल का मूल विश्लेषण

2.1 संरचना और गुण

फोम निकल एक त्रि-आयामी अंतर्संबंधित नेटवर्क संरचना प्रदर्शित करता है, जिसकी विशिष्ट सरंध्रता 80%-95%, विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल 1-5 m²/g तक, कमरे के तापमान पर 5-10 μΩ·सेमी जितनी कम प्रतिरोधकता, और लगभग 15-30 एमपीए की तन्य शक्ति होती है। उच्च सरंध्रता लिथियम-आयन बैटरियों में सक्रिय पदार्थों (जैसे सल्फर कैथोड और सिलिकॉन-आधारित एनोड) के उच्च भारण को सक्षम बनाती है (पारंपरिक एल्युमीनियम फ़ॉइल धारा संग्राहकों की तुलना में 20%-40% अधिक); उत्कृष्ट विद्युत चालकता और यांत्रिक शक्ति इलेक्ट्रॉन संचरण हानि को कम कर सकती है, साथ ही आवेश-निर्वहन चक्रों के दौरान इलेक्ट्रोड के आयतन विस्तार को सहन कर सकती है, जिससे बैटरियों के दीर्घकालिक स्थिर संचालन के लिए संरचनात्मक सहायता मिलती है।

2.2 तैयारी प्रक्रियाएँ

मुख्यधारा की तैयारी विधियों को इलेक्ट्रोडपोजिशन और रासायनिक कमी में विभाजित किया गया है:

इलेक्ट्रोडेपोजिशन विधि: पॉलीयूरेथेन फोम को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करके, इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रक्रिया के माध्यम से कंकाल की सतह पर निकल की एक परत जमा की जाती है, जिसके बाद उच्च तापमान पर डीग्रीजिंग और रिडक्शन सिंटरिंग द्वारा फोम निकल प्राप्त होता है। उत्पाद की शुद्धता 99.5% से अधिक हो सकती है, जिसमें एपर्चर एकरूपता त्रुटि 5% से कम होती है। हालाँकि, इलेक्ट्रोप्लेटिंग उपकरणों में निवेश अधिक होता है, और प्रति टन उत्पादन लागत लगभग 30,000-50,000 आरएमबी होती है;

रासायनिक अपचयन विधि: निकल लवण विलयन को एक अपचायक (जैसे सोडियम हाइपोफॉस्फाइट) के साथ मिलाया जाता है, और छिद्रयुक्त टेम्पलेट की सतह पर अपचयन अभिक्रिया होती है जिससे निकल की एक परत बनती है। इसकी लागत इलेक्ट्रोडपोजिशन विधि की तुलना में केवल 60%-70% है, जो इसे 10,000 टन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाती है। हालाँकि, उत्पाद की शुद्धता अशुद्धियों से आसानी से प्रभावित होती है, और दीर्घकालिक उपयोग के दौरान सूक्ष्म-संरचनात्मक क्षरण हो सकता है।

लिथियम-आयन बैटरियों के अनुप्रयोग परिदृश्य के आधार पर दोनों प्रक्रियाओं का चयन व्यापक रूप से निर्धारित किया जाना चाहिए (उदाहरण के लिए, पावर बैटरियों में शुद्धता की उच्च आवश्यकताएं होती हैं, जबकि ऊर्जा भंडारण बैटरियां लागत पर अधिक ध्यान केंद्रित करती हैं)।

3. लिथियम-आयन बैटरियों में क्रियाविधि

3.1 इलेक्ट्रोड करंट कलेक्टर के रूप में भूमिका

कैथोड या एनोड धारा संग्राहक के रूप में उपयोग किए जाने पर, फोम निकल की त्रि-आयामी नेटवर्क संरचना एक "त्रि-आयामी चालक नेटवर्क" का निर्माण कर सकती है। पारंपरिक धातु पन्नी (जैसे एल्युमिनियम पन्नी और तांबे की पन्नी) की तुलना में इलेक्ट्रॉन संचरण पथ की लंबाई 40%-60% कम हो जाती है, जिससे बैटरी का आंतरिक प्रतिरोध 15%-25% कम हो जाता है; साथ ही, इसकी छिद्रपूर्ण संरचना अधिक इलेक्ट्रोलाइट को समायोजित कर सकती है, जिससे आयन संचरण दक्षता में सुधार होता है। 1C दर चार्ज-डिस्चार्ज परीक्षण में, पारंपरिक धारा संग्राहकों की तुलना में बैटरी क्षमता प्रतिधारण दर 8%-12% बढ़ जाती है, और दर प्रदर्शन काफी अनुकूलित होता है।

3.2 उत्प्रेरक गतिविधि प्रदर्शन

लिथियम-एयर बैटरियों में, फोम निकल की सतह पर स्थित निकल परमाणु ऑक्सीजन न्यूनीकरण अभिक्रिया (ओआरआर) और ऑक्सीजन विकास अभिक्रिया (ओईआर) के लिए उत्प्रेरक सक्रिय स्थल के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिससे अभिक्रिया सक्रियण ऊर्जा लगभग 0.2-0.3 ईवी कम हो जाती है और बैटरी चार्ज-डिस्चार्ज वोल्टेज अंतराल 10%-15% कम हो जाता है; लिथियम-सल्फर बैटरियों में, फोम निकल लिथियम पॉलीसल्फाइड के शटल प्रभाव को बाधित कर सकता है और रासायनिक अवशोषण के माध्यम से सक्रिय पदार्थों की हानि को कम कर सकता है, जिससे 500 चक्रों के बाद बैटरी की क्षमता क्षय दर 20% से कम हो जाती है (पारंपरिक बैटरियां आमतौर पर 30% से अधिक होती हैं)।

3.3 बैटरी प्रदर्शन पर व्यापक प्रभाव

वास्तविक परीक्षण डेटा के परिप्रेक्ष्य से, फोम निकल करंट कलेक्टरों का उपयोग करने वाली लिथियम-आयन बैटरियां:

ऊर्जा घनत्व 10%-30% तक बढ़ जाता है (उदाहरण के लिए, टर्नरी लिथियम बैटरी 280 क/किलोग्राम से 350 क/किलोग्राम तक बढ़ जाती है);

चक्र जीवन 50%-100% तक बढ़ाया जाता है (उदाहरण के लिए, 2000 चक्रों के बाद लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी की क्षमता प्रतिधारण दर 85% से अधिक है, जबकि पारंपरिक बैटरी की यह लगभग 60% है);

निम्न-तापमान प्रदर्शन को अनुकूलित किया गया है, और -20 ℃ पर चार्ज-डिस्चार्ज दक्षता पारंपरिक बैटरी की तुलना में 15% -20% तक बढ़ जाती है, जो ठंडे उत्तरी क्षेत्रों में नई ऊर्जा वाहनों की उपयोग आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है।

4. अनुसंधान प्रगति और अनुप्रयोग मामले

4.1 अत्याधुनिक अनुसंधान रुझान

वर्तमान शोध प्रदर्शन संबंधी बाधाओं को दूर करने के लिए फोम निकल के संशोधन पर केंद्रित है:

समग्र संशोधन: ग्राफीन और कार्बन नैनोट्यूब को फोम निकल के साथ मिलाकर "निकल-कार्बन सहक्रियात्मक प्रवाहकीय नेटवर्क" का निर्माण करना, जो संक्षारण प्रतिरोध को बढ़ाते हुए सामग्री की विद्युत चालकता को 30%-50% तक बढ़ा देता है;

सतह संशोधन: कोबाल्ट, निकल-फास्फोरस मिश्र धातु, आदि के इलेक्ट्रोप्लेटिंग के माध्यम से फोम निकल की सतह पर एक सुरक्षात्मक परत बनाना। अम्लीय इलेक्ट्रोलाइट्स (जैसे लिथियम-सल्फर बैटरी इलेक्ट्रोलाइट्स) में संक्षारण दर 0.01 मिमी/वर्ष से कम हो जाती है (असंशोधित फोम निकल लगभग 0.05 मिमी/वर्ष है);

संरचनात्मक अनुकूलन: ग्रेडिएंट-पोर फोम निकल (सतह पर छोटे छिद्र आकार, आंतरिक परत में बड़े छिद्र आकार) का विकास, जो न केवल सक्रिय पदार्थों की लोडिंग सुनिश्चित करता है, बल्कि इलेक्ट्रोलाइट प्रतिबाधा को भी कम करता है। सीएटीएल और बीवाईडी जैसे उद्यमों के प्रयोगशाला नमूनों में प्रासंगिक तकनीकों का सत्यापन किया गया है।

4.2 व्यावहारिक अनुप्रयोग स्थिति

फोम निकल का उपयोग दो प्रकार की लिथियम-आयन बैटरियों में बड़े पैमाने पर किया जाता है:

लिथियम-सल्फर बैटरियाँ: एक घरेलू उद्यम कैथोड करंट कलेक्टर के रूप में कार्बन-कोटेड फोम निकल का उपयोग करता है। उत्पादित लिथियम-सल्फर बैटरियों का ऊर्जा घनत्व 450 क/किलोग्राम है और इन्हें छोटे यूएवी में लगाया गया है, जिनकी सहनशीलता समय पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में 40% अधिक है;

पावर बैटरियां: टेस्ला 4680 बैटरियों के अनुसंधान और विकास में फोम निकल-प्रबलित एनोड करंट कलेक्टरों का उपयोग करता है, जिससे बैटरी की दर चार्ज-डिस्चार्ज क्षमता 4C (15 मिनट में पूर्ण चार्ज) तक बढ़ जाती है, जबकि थर्मल रनवे का जोखिम कम हो जाता है;

वर्तमान में, बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग को प्रतिबंधित करने वाला मुख्य मुद्दा अभी भी लागत है - फोम निकल करंट कलेक्टरों की लागत कुल का लगभग 8% -12% हैबैटरी सामग्रीलागत (पारंपरिक वर्तमान संग्राहक केवल 3% -5% के लिए जिम्मेदार हैं), और प्रक्रिया अनुकूलन के माध्यम से लागत में और कमी की आवश्यकता है।

5. चुनौतियाँ और संभावनाएँ

5.1 मौजूदा समस्याएं

लागत संबंधी मुद्दों के अतिरिक्त, दो मुख्य चुनौतियाँ हैं:

अपर्याप्त स्थिरता: उच्च वोल्टेज (जैसे, 4.5 V से ऊपर) लिथियम-आयन बैटरी में, फोम निकल इलेक्ट्रोलाइट के साथ इंटरफेस प्रतिक्रियाओं के लिए प्रवण होता है, जिससे नी³⁺ यौगिक उत्पन्न होते हैं, जिससे बैटरी प्रतिबाधा में वृद्धि होती है, और 1000 चक्रों के बाद क्षमता क्षय दर 25% से अधिक हो जाती है;

स्थिरता नियंत्रण: बड़े पैमाने पर उत्पादन के दौरान, फोम निकल के छिद्र आकार और मोटाई का विचलन ± 10% से अधिक होने की संभावना है, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी बैचों के बीच प्रदर्शन अंतर होता है और डाउनस्ट्रीम उद्यमों के गुणवत्ता नियंत्रण को प्रभावित करता है।

5.2 भविष्य के विकास की दिशाएँ

प्रक्रिया लागत में कमी: पॉलीयूरेथेन फोम सब्सट्रेट को खत्म करने के लिए "टेम्पलेट-मुक्त इलेक्ट्रोडपोजिशन तकनीक" विकसित करना, जिससे उत्पादन लागत में 30% से अधिक की कमी आने की उम्मीद है;

बहु-परिदृश्य अनुकूलन: नई ऊर्जा भंडारण प्रणालियों जैसे कि ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी और सोडियम-आयन बैटरी के लिए, कम प्रतिबाधा और उच्च संगतता के साथ फोम निकल-व्युत्पन्न सामग्री विकसित करना (उदाहरण के लिए, निकल-आधारित समग्र ठोस इलेक्ट्रोलाइट वाहक);

औद्योगिकीकरण उन्नयन: फोम निकल उत्पादों की स्थिरता त्रुटि को ± 5% के भीतर नियंत्रित करने के लिए एआई दृश्य निरीक्षण प्रणाली का परिचय, पावर बैटरी की बड़े पैमाने पर उत्पादन आवश्यकताओं को पूरा करना।