എന്താണ് ബാറ്ററി കപ്പാസിറ്റി ഡിഗ്രഡേഷൻ മെക്കാനിസം?
മെറ്റീരിയൽ ഘടനയിൽ മാറ്റം
നിലവിൽ ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ പ്രധാനമായും ഉൾപ്പെടുന്നു LiMO2 ൻ്റെ ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലുള്ള ലേയേർഡ് ഘടന (ഇവിടെ M=Co, Ni, Mn), LiMn2O4 ൻ്റെ സ്പൈനൽ ഘടനയും LiFePO4 ൻ്റെ ഒലിവിൻ ഘടനയും. ഘടന പരിഗണിക്കാതെ തന്നെ, ലിഥിയം അയോണുകൾ കാഥോഡിൽ നിന്ന് വ്യതിചലിക്കുമ്പോൾ, മെറ്റീരിയലിലെ വൈദ്യുത നില നിലനിർത്താൻ, ലോഹ മൂലകം അനിവാര്യമായും ഉയർന്ന വാലൻസ് അവസ്ഥയിലേക്ക് ഓക്സിഡൈസ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, ഇത് ഒരു ഘട്ടം പരിവർത്തന പ്രക്രിയയ്ക്കൊപ്പമുണ്ട്. ഘട്ടം പരിവർത്തനങ്ങൾ പലപ്പോഴും ഘട്ടം ഷിഫ്റ്റുകളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു, അതിനാൽ ലിഥിയം അയോണുകൾ മെറ്റീരിയലിൽ തുടർച്ചയായി പരസ്പരം ബന്ധിപ്പിക്കുകയും വിഘടിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നതിനാൽ, ഘട്ടം മാറ്റം തുടരുന്നു, ദീർഘകാലാടിസ്ഥാനത്തിൽ ഇത് ക്രിസ്റ്റൽ സ്ഥിരതയ്ക്ക് ഭീഷണിയാകും. ആനോഡുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, ഫേസ് ഷിഫ്റ്റുകളും കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലിൻ്റെ ബൾക്ക് ഘടനയിലെ മാറ്റങ്ങളും മൂലമുണ്ടാകുന്ന അസമമായ റിവേഴ്സിബിൾ ശേഷി ബാറ്ററി ലൈഫിൽ കാര്യമായ സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. ഗ്രാഫൈറ്റിന് ഒരു പാളി ഘടനയുണ്ട്. നിരവധി പാളികൾ കട്ടിയുള്ളതായിരിക്കുമ്പോൾ, ബാറ്ററി ചാർജിംഗ് സമയത്ത് ലിഥിയം അയോണുകൾ ഇൻ്റർലേയറുകളിലേക്ക് സംയോജിക്കുകയും ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിൽ നിന്ന് കൊണ്ടുപോകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളുമായി സംയോജിച്ച് ലിത്തിയേഡ് ഗ്രാഫൈറ്റ് രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു, ഈ സമയത്ത് ഇൻ്റർലേയർ സ്പെയ്സിംഗ് വർദ്ധിക്കുന്നു; ഡിസ്ചാർജ് സമയത്ത്, ലിഥിയം അയോണുകൾ ഗ്രാഫൈറ്റ് ഇൻ്റർലേയറുകൾ ഉപേക്ഷിച്ച് ഇലക്ട്രോണുകളെ ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിലേക്ക് വിടുന്നു, ഒരു ഡിഇൻ്റർകലേഷനും ഓക്സിഡേഷൻ പ്രതികരണത്തിനും വിധേയമാകുന്നു, ഈ സമയത്ത് ഇൻ്റർലേയർ സ്പെയ്സിംഗ് കുറയുന്നു.
സജീവ മെറ്റീരിയലിൻ്റെ പിരിച്ചുവിടൽ
ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലെ നാശം മൂലം സജീവമായ മെറ്റീരിയൽ ക്രമേണ കുറയുന്ന പ്രക്രിയയെ കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലിൻ്റെ പിരിച്ചുവിടൽ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ കാഥോഡ് മെറ്റീരിയൽ പിരിച്ചുവിടുന്നത് ബാറ്ററി ശേഷി ക്ഷയിക്കാനുള്ള ഒരു കാരണമാണ്, പ്രത്യേകിച്ച് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ ബാറ്ററികളുടെ സൈക്കിൾ പ്രകടനത്തിലും സംഭരണ പ്രകടനത്തിലും വലിയ സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. എല്ലാ LiMO2 കാഥോഡ് സാമഗ്രികളിലും നിലനിൽക്കുന്ന ഒരു പ്രശ്നമാണ് ചില വ്യവസ്ഥകളിൽ പരിവർത്തന ലോഹങ്ങളുടെ പിരിച്ചുവിടൽ. സജീവ സാമഗ്രികളുടെ പിരിച്ചുവിടൽ ബാറ്ററി പ്രകടനത്തിൻ്റെ അപചയത്തിലേക്ക് നയിക്കുന്നതിൻ്റെ പ്രധാന കാരണങ്ങൾ ഇവയാണ്: $\\text സർക്കിൾഡ്{1}$ ലോഹ മൂലകങ്ങളുടെ പിരിച്ചുവിടൽ നേരിട്ട് സജീവമായ മെറ്റീരിയലിൻ്റെ കുറവിലേക്ക് നയിക്കുന്നു, ഇത് ബാറ്ററി ശേഷി നഷ്ടപ്പെടുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു; $\\text വൃത്താകൃതിയിലുള്ളത്{2}$ കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലിൻ്റെ പിരിച്ചുവിടൽ മെറ്റീരിയൽ ഘടനയുടെ അപചയത്തിനും കണങ്ങളുടെ ഉപരിതലത്തിൽ രാസപരമായി നിർജ്ജീവമായ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ രൂപീകരണത്തിനും കാരണമാകുന്നു, ഇത് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലിലെ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ ഗതാഗതത്തെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു; $\\text വൃത്താകൃതിയിലുള്ളത്{3}$ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന സോൾവേറ്റഡ് ലോഹ അയോണുകൾ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലെ ആനോഡിലേക്ക് മൈഗ്രേറ്റ് ചെയ്യുകയും ലോഹത്തിൻ്റെയോ ഉപ്പിൻ്റെയോ രൂപത്തിൽ ആനോഡ് ഉപരിതലത്തിൽ നിക്ഷേപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഈ നിക്ഷേപങ്ങൾ അനിവാര്യമായും ആനോഡ് ബാറ്ററി പ്രതലത്തിലെ SEI ഫിലിമിൻ്റെ സ്ഥിരതയെയും കനത്തെയും ബാധിക്കുകയും ഇലക്ട്രോഡ് ഉപരിതല പ്രതിരോധം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അതിനാൽ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൽ സജീവമായ മെറ്റീരിയൽ പിരിച്ചുവിടലിൻ്റെ പ്രഭാവം പിരിച്ചുവിടലിൽ നിന്ന് മാത്രമല്ല, സംക്രമണ ലോഹങ്ങളുടെ പിരിച്ചുവിടൽ മൂലമുണ്ടാകുന്ന കൂടുതൽ പ്രതികൂല ഫലങ്ങളിൽ നിന്നും വരുന്നു.
ലിഥിയം അയോണുകളുടെ ഉപഭോഗം
ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികളുടെ രൂപകൽപ്പനയിൽ, ബാറ്ററിയുടെ ശേഷി പൊതുവെ കാഥോഡിനേക്കാൾ അല്പം കൂടുതലാണ്, കൂടാതെ പുനരുപയോഗിക്കാവുന്ന ലിഥിയം അയോണുകളും കാഥോഡാണ് നൽകുന്നത്. അതിനാൽ, കാഥോഡിനും ആനോഡിനും ഇടയിലുള്ള ലിഥിയം അയോണുകളുടെ റിവേഴ്സിബിൾ ഇൻ്റർകലേഷനും ഡീഇൻ്റർകലേഷനും ബാറ്ററി ശേഷി നിർണ്ണയിക്കുന്നു. ആദ്യത്തെ ചാർജും ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയയും സമയത്ത്, ആനോഡ് പ്രതലത്തിൽ ഒരു SEI ഫിലിം രൂപം കൊള്ളുന്നു. Li2CO3, LiF, Li2O, LiOH പോലുള്ള വിവിധ അജൈവ പദാർത്ഥങ്ങളും ROCO2Li, ROLi, (ROCO2) 2Li തുടങ്ങിയ വിവിധ ജൈവ ഘടകങ്ങളുമാണ് ഈ പാസിവേഷൻ ഫിലിമിൻ്റെ പ്രധാന ഘടകങ്ങൾ. അങ്ങനെ, ചില ലിഥിയം അയോണുകൾ ഉപഭോഗം ചെയ്യപ്പെടുന്നു, ഈ ശേഷി നഷ്ടം മാറ്റാനാവാത്തതാണ്. ആനോഡിൻ്റെ പ്രകടനം SEI ഫിലിമിൻ്റെ രൂപഘടനയുമായും സ്ഥിരതയുമായും വളരെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു, കൂടാതെ ആനോഡ് പ്രതലത്തിൽ ഒരു സ്ഥിരതയുള്ള SEI ഫിലിം രൂപപ്പെടുത്താനുള്ള കഴിവ് ബാറ്ററി പ്രകടനത്തിൽ-നിസാരമല്ലാത്ത സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. SEI ഫിലിമിൻ്റെ രൂപീകരണം ബാറ്ററിയിലെ പരിമിതമായ ലിഥിയം അയോണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. സൈക്കിളിൽ SEI ഫിലിം തുടർച്ചയായി കേടുപാടുകൾ സംഭവിക്കുകയാണെങ്കിൽ, ആനോഡ്/ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഇൻ്റർഫേസിലെ ഓക്സിഡേഷൻ പ്രതികരണം ഒരു പുതിയ SEI ഫിലിം രൂപീകരിക്കുന്നതിന് തുടർച്ചയായി സംഭവിക്കും. ഈ പ്രക്രിയ സിസ്റ്റത്തിലെ കാഥോഡ് നൽകുന്ന പരിമിതമായ ലിഥിയം അയോണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു, സജീവ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ കുറവ് ശേഷി ശോഷണത്തിലേക്ക് നയിക്കുന്നു. ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലെ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ കുറവ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൻ്റെ ചാലകത കുറയുന്നതിലേക്ക് നയിക്കുന്നു, കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലിലെ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ നഷ്ടം ബാറ്ററിയുടെ രണ്ട് ഇലക്ട്രോഡുകൾ തമ്മിലുള്ള അസന്തുലിതാവസ്ഥയ്ക്ക് കാരണമാകുന്നു.
ആന്തരിക പ്രതിരോധത്തിൻ്റെ വർദ്ധനവ്
ബാറ്ററിയുടെ ദീർഘകാല-സൈക്ലിംഗ് സമയത്ത്, ആന്തരിക പ്രതിരോധം വർദ്ധിക്കുന്നതും ശേഷി നശിക്കാനുള്ള ഒരു പ്രധാന കാരണമാണ്. ആന്തരിക പ്രതിരോധം വർദ്ധിക്കുന്നതിന് നിരവധി കാരണങ്ങളുണ്ട്, പ്രധാനമായും രണ്ട് വശങ്ങളിൽ നിന്ന്: $\\text വൃത്താകൃതിയിലുള്ളത്{1}$ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലെ ഇലക്ട്രോഡ്/ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഇൻ്റർഫേസിൽ സംഭവിക്കുന്ന ഓക്സിഡേഷൻ പ്രതിപ്രവർത്തനം ഇലക്ട്രോഡിൻ്റെ ഉപരിതല ഫിലിം പ്രതിരോധം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും ആനോഡ് SEI ഫിലിമിൻ്റെ അസ്ഥിരതയ്ക്കും കാരണമാകുന്നു; $\\text വൃത്താകൃതിയിലുള്ളത്{2}$ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലേക്ക് കാഥോഡിലെ ലോഹ അയോണുകളുടെ ലയനം, അലിഞ്ഞുചേർന്ന അയോണൈസ്ഡ് ലോഹ അയോണുകൾ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് വഴി ആനോഡിലേക്ക് മൈഗ്രേറ്റ് ചെയ്യുകയും ലോഹത്തിൻ്റെയോ ഉപ്പിൻ്റെയോ രൂപത്തിൽ ആനോഡ് പ്രതലത്തിൽ നിക്ഷേപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇത് ഇലക്ട്രോഡ് ധ്രുവീകരണം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു. കൂടാതെ, നിലവിലെ കളക്ടറുടെ നാശവും ആന്തരിക പ്രതിരോധത്തിൻ്റെ വർദ്ധനവിന് കാരണമാകുമെന്ന് ഗവേഷണം തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്, എന്നാൽ നിലവിലെ കളക്ടറുടെ മുൻകൂർ ചികിത്സയുടെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ ഈ പ്രഭാവം താരതമ്യേന ചെറുതാണ്. ആന്തരിക പ്രതിരോധം വർദ്ധിക്കുന്നത് ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയിലും ശേഷിയിലും കുറവുണ്ടാക്കുന്നു, പ്രത്യേകിച്ച് ആനോഡിന്, ഇലക്ട്രോഡ് / ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഇൻ്റർഫേസിൽ സംഭവിക്കുന്ന പ്രതികരണമാണ് ആനോഡ് പ്രായമാകുന്നതിനുള്ള പ്രധാന കാരണം.
