एकल-परत ग्राफीन ऑक्साइड: लिथियम-आयन बैटरी के प्रदर्शन में सुधार के लिए नए कोड का उद्घाटन

1 परिचय

एकल-परत ग्राफीन ऑक्साइड ग्राफीन से प्राप्त एक द्वि-आयामी (2D) कार्बन नैनोमटेरियल, एसएलजीओ ने एलआईबी के क्षेत्र में व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। इसकी अनूठी संरचना और उत्कृष्ट भौतिक-रासायनिक गुण (जैसे, उच्च विद्युत चालकता, विशाल विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल, और प्रचुर मात्रा में ऑक्सीजन युक्त क्रियात्मक समूह) इसे पारंपरिक उदारीकरण पदार्थों की कमियों को दूर करने के लिए एक आशाजनक विकल्प बनाते हैं। यह शोधपत्र एसएलजीओ की संरचनात्मक विशेषताओं, उदारीकरण इलेक्ट्रोड (कैथोड और एनोड) में इसके अनुप्रयोग, चालक योजकों, और सुरक्षा सुधार, साथ ही इसकी तैयारी विधियों, तकनीकी चुनौतियों और भविष्य के विकास की संभावनाओं की व्यवस्थित समीक्षा करता है।

2. एकल-परत ग्राफीन ऑक्साइड के अद्वितीय गुण

2.1 संरचनात्मक विशेषताएँ

एसएलजीओ में कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत होती है जो एक षट्कोणीय जालक में व्यवस्थित होती है, जिसकी सीसी बंध लंबाई लगभग 0.142 नैनोमीटर होती है। एसएलजीओ में अधिकांश कार्बन परमाणु एसपी²-संकरणित होते हैं, जो एक समतलीय संयुग्मित संरचना बनाते हैं जो इसकी उच्च विद्युत चालकता में योगदान करती है। प्राचीन ग्राफीन के विपरीत, एसएलजीओ में इसके आधार तल और किनारे पर प्रचुर मात्रा में ऑक्सीजन युक्त क्रियात्मक समूह (जैसे, हाइड्रॉक्सिल (-ओह), एपॉक्सी (-O-), और कार्बोक्सिल (-सीओओएच)) होते हैं। ये क्रियात्मक समूह न केवल जलीय और कार्बनिक विलायकों में एसएलजीओ की जलस्नेहीता और फैलावशीलता में सुधार करते हैं, बल्कि रासायनिक रूपांतरण और संमिश्र निर्माण के लिए सक्रिय स्थल भी प्रदान करते हैं।

एसएलजीओ की परमाण्विक व्यवस्था इसके प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करती है: अक्षुण्ण षट्कोणीय जालक कुशल इलेक्ट्रॉन परिवहन सुनिश्चित करता है, जबकि ऑक्सीजन युक्त क्रियात्मक समूह अन्य पदार्थों (जैसे, इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थ और इलेक्ट्रोलाइट्स) के साथ इसकी अन्योन्यक्रिया को बढ़ाते हैं। हालाँकि, अत्यधिक ऑक्सीजन युक्त समूह संयुग्मित संरचना को नष्ट कर सकते हैं, जिससे विद्युत चालकता कम हो सकती है। इसलिए, एसएलजीओ में ऑक्सीजन की मात्रा और वितरण का सटीक नियंत्रण एलआईबी में इसके अनुप्रयोग के लिए महत्वपूर्ण है।

2.2 भौतिक-रासायनिक गुण

उच्च विद्युत चालकता: एसएलजीओ की एसपी²-संयुग्मित संरचना 10⁴ S/m (अपचयन के बाद) तक की विद्युत चालकता के साथ तीव्र इलेक्ट्रॉन परिवहन को सक्षम बनाती है, जो पारंपरिक कार्बन सामग्रियों (जैसे, कार्बन ब्लैक: ~10² S/m) की तुलना में बहुत अधिक है।

बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र: एसएलजीओ की एकल-परत 2डी संरचना इसे ~2630 m²/g का सैद्धांतिक विशिष्ट सतह क्षेत्र प्रदान करती है, जो ली⁺ अवशोषण और भंडारण के लिए प्रचुर स्थान प्रदान करती है।

अच्छी हाइड्रोफिलिसिटी: एसएलजीओ पर ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह इसे पानी और ध्रुवीय कार्बनिक सॉल्वैंट्स में आसानी से फैलाने योग्य बनाते हैं, जिससे मिश्रित सामग्री और इलेक्ट्रोड स्लरी की तैयारी में सुविधा होती है।

रासायनिक अभिक्रियाशीलता: ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह (विशेष रूप से -सीओओएच और -ओह) धातु आयनों, पॉलिमर और अन्य कार्यात्मक अणुओं के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जिससे अनुकूलित गुणों के साथ उन्नत मिश्रित सामग्रियों के डिजाइन और संश्लेषण को संभव बनाया जा सकता है।

3. लिथियम-आयन बैटरी कैथोड सामग्री में अनुप्रयोग अन्वेषण

3.1 पारंपरिक कैथोड सामग्रियों की सीमाएँ

पारंपरिक उदारीकरण कैथोड सामग्री, जैसे लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO₄), लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (लीकोओ₂), और लिथियम निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂, एनसीएम), महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करती हैं जो उनके प्रदर्शन को सीमित करती हैं:

कम विद्युत चालकता: उदाहरण के लिए, LiFePO₄ की इलेक्ट्रॉनिक चालकता केवल 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/सेमी है, जो चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रॉन परिवहन को गंभीर रूप से प्रतिबंधित करती है, जिससे दर क्षमता खराब हो जाती है।

धीमी ली⁺ प्रसार गतिकी: पारंपरिक कैथोड (जैसे, लीकोओ₂) की सघन क्रिस्टल संरचना के परिणामस्वरूप कम ली⁺ प्रसार गुणांक (10⁻¹⁴~10⁻¹² सेमी²/s) होता है, जिससे उच्च दरों पर महत्वपूर्ण ध्रुवीकरण होता है।

चक्र स्थिरता के मुद्दे: चक्रण के दौरान संरचनात्मक क्षरण (जैसे, LiFePO₄ में चरण संक्रमण) और धातु आयन विघटन (जैसे, लीकोओ₂ में सह³⁺) क्षमता क्षीणता का कारण बनता है।

3.2 एसएलजीओ कम्पोजिट कैथोड के प्रयास और उपलब्धियां

इन सीमाओं को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न मिश्रित रणनीतियों के माध्यम से एसएलजीओ-मिश्रित कैथोड सामग्री विकसित की है, जिससे कैथोड की विद्युत चालकता, ली⁺ प्रसार दक्षता और चक्र स्थिरता में उल्लेखनीय सुधार हुआ है।

3.2.1 अर्ध-एनकैप्सुलेशन रणनीति

अर्ध-संपुटन संरचना में, एसएलजीओ शीट कैथोड कणों की सतह से आंशिक रूप से जुड़ी होती हैं, जिससे कणों के बीच एक पुल बनता है। यह संरचना एक प्रवाहकीय नेटवर्क का निर्माण करते हुए कैथोड क्रिस्टल संरचना की अखंडता को बनाए रखती है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोथर्मल विधि द्वारा तैयार LiFePO₄/एसएलजीओ कंपोजिट में, एसएलजीओ शीट चुनिंदा रूप से LiFePO₄ के (010) तल (मुख्य ली⁺ विसरण तल) पर स्थिर होती हैं। इससे न केवल कंपोजिट की इलेक्ट्रॉनिक चालकता में सुधार होता है (10⁻¹⁰ S/सेमी से 10⁻³ S/सेमी तक) बल्कि ली⁺ विसरण चैनलों को भी अवरुद्ध नहीं करता है। 10°C की दर पर, कंपोजिट 120 mAh की/g की विशिष्ट क्षमता प्रदान करता है, जो शुद्ध LiFePO₄ (40 mAh की/g) की तुलना में 3 गुना अधिक है (झांग एट अल., 2020)।

3.2.2 पूर्ण-एनकैप्सुलेशन रणनीति

पूर्ण-संपुटन रणनीति में एसएलजीओ शीट को अलग-अलग कैथोड कणों के चारों ओर लपेटकर एक कोर-शेल संरचना बनाना शामिल है। यह संरचना धातु आयन विघटन और संरचनात्मक क्षरण को प्रभावी ढंग से दबा सकती है। इलेक्ट्रोस्टैटिक स्व-संयोजन विधि द्वारा तैयार लीकोओ₂/एसएलजीओ कंपोजिट के लिए, एसएलजीओ शेल (मोटाई: ~5 नैनोमीटर) सीओ3⁺ को इलेक्ट्रोलाइट में घुलने से रोकने के लिए एक भौतिक अवरोध के रूप में कार्य करता है। 1°C पर 500 चक्रों के बाद, कंपोजिट की क्षमता प्रतिधारण दर 85% है, जबकि शुद्ध लीकोओ₂ के लिए यह केवल 60% है (वांग एट अल., 2021)। इसके अलावा, एसएलजीओ शेल लीकोओ₂ की विद्युत चालकता को बढ़ाता है, जिससे कंपोजिट 0.5°C पर 165 mAh की/g की विशिष्ट क्षमता प्रदर्शित करता है (शुद्ध लीकोओ₂ से 15% अधिक)।

3.2.3 अल्ट्रासोनिक मिश्रण रणनीति

अल्ट्रासोनिक मिश्रण, एसएलजीओ-कम्पोजिट कैथोड तैयार करने की एक सरल और मापनीय विधि है। उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके, एसएलजीओ शीट्स को कैथोड कणों के बीच समान रूप से फैलाया जा सकता है, जिससे एक त्रि-आयामी चालक नेटवर्क बनता है। यह विधि एसएलजीओ शीट्स के समूहन से बचती है और एसएलजीओ और कैथोड कणों के बीच अच्छा संपर्क सुनिश्चित करती है। अल्ट्रासोनिक मिश्रण द्वारा तैयार लीनी₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (एनसीएम811)/एसएलजीओ कंपोजिट पर किए गए एक अध्ययन से पता चला है कि कंपोजिट का ली⁺ विसरण गुणांक 5×10⁻¹¹ सेमी²/s (शुद्ध एनसीएम811 से 2 गुना अधिक) था। 5°C की दर पर, कंपोजिट ने 150 mAh की/g की विशिष्ट क्षमता प्रदान की, और 200 चक्रों के बाद, क्षमता प्रतिधारण दर 92% थी (ली एट अल., 2022)।

4. लिथियम-आयन बैटरी एनोड सामग्री में गहन अनुसंधान

4.1 प्रत्यक्ष एनोड सामग्री के रूप में एसएलजीओ की चुनौतियाँ और सफलताएँ

एसएलजीओ में अपने विशाल विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल और उच्च सैद्धांतिक ली⁺ भंडारण क्षमता (~744 mAh की/g, एलआईसी₆ पर आधारित) के कारण एलआईबी के लिए एनोड सामग्री के रूप में अपार क्षमता है। हालाँकि, एनोड के रूप में एसएलजीओ के प्रत्यक्ष उपयोग में दो प्रमुख चुनौतियाँ हैं:

4.1.1 लेयर स्टैकिंग

एसएलजीओ शीटों के बीच वैन डेर वाल्स बल आसानी से स्टैकिंग का कारण बनते हैं, जिससे विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल कम हो जाता है और ली⁺ विसरण चैनल अवरुद्ध हो जाते हैं, जिससे दर क्षमता कम हो जाती है। उदाहरण के लिए, शुद्ध एसएलजीओ एनोड का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल केवल ~500 m²/g (सैद्धांतिक मान से बहुत कम) होता है, और 5°C पर उनकी क्षमता 200 mAh की/g से भी कम होती है।

4.1.2 कम प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता

एसएलजीओ पर ऑक्सीजन युक्त क्रियात्मक समूह पहले आवेश-निर्वहन चक्र के दौरान ली⁺ के साथ अभिक्रिया कर सकते हैं, जिससे एक उच्च-प्रतिबाधा ठोस विद्युत अपघट्य अंतरावस्था (एसईआई) परत बनती है। इसके परिणामस्वरूप प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता कम होती है (अक्सर 60% से कम), जो एसएलजीओ एनोड के व्यावहारिक अनुप्रयोग को सीमित करती है।

इन मुद्दों के समाधान के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न संशोधन विधियां विकसित की हैं:

4.1.3 तापीय प्रसार विधि

एक निष्क्रिय वातावरण (जैसे, एआर) में 800 ~ 1200 °C पर एसएलजीओ को गर्म करने से, ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूह गैसीय उत्पादों (सीओ, सीओ₂, H₂O) में विघटित हो जाते हैं, जिससे एसएलजीओ शीट्स को छिद्रपूर्ण संरचना में विस्तारित करने के लिए आंतरिक दबाव उत्पन्न होता है। यह छिद्रपूर्ण संरचना न केवल परत के ढेर को रोकती है बल्कि विशिष्ट सतह क्षेत्र को भी बढ़ाती है और अधिक ली⁺ भंडारण स्थल प्रदान करती है। ली एट अल। (2021) के एक अध्ययन से पता चला है कि तापीय रूप से विस्तारित एसएलजीओ (ते-एसएलजीओ) का विशिष्ट सतह क्षेत्र 1800 m²/g था, और इसकी प्रारंभिक कूलम्बिक दक्षता 85% तक बढ़ गई (ऑक्सीजन युक्त समूहों में कमी के कारण)। 1C की दर से, ते-एसएलजीओ ने 650 mAh की/g की प्रतिवर्ती विशिष्ट क्षमता प्रदान की