എന്താണ് ലിഥിയം മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ്?

LiMn₂O₄ എന്ന രാസ സൂത്രവാക്യമുള്ള ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലാണ് ലിഥിയം മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് (LMO). ബാറ്ററി ചാർജിംഗ് സമയത്തും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുന്ന സൈക്കിളുകളിലും കാര്യക്ഷമമായ ലിഥിയം അയൺ ചലനം സാധ്യമാക്കുന്ന ഒരു ത്രി-സ്പൈനൽ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയാണ് ഇത് അവതരിപ്പിക്കുന്നത്.

LMO-യുടെ നിർവചിക്കുന്ന സ്വഭാവം അതിൻ്റെ സ്പൈനൽ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയിലാണ്, Fd3m എന്ന ബഹിരാകാശ ഗ്രൂപ്പിന് കീഴിൽ വർഗ്ഗീകരിച്ചിരിക്കുന്നു. ഈ ക്യൂബിക് ലാറ്റിസ് ക്രമീകരണം ഓക്സിജൻ ആറ്റങ്ങളെ നിർദ്ദിഷ്ട പോയിൻ്റുകളിൽ സ്ഥാപിക്കുന്നു, അതേസമയം മാംഗനീസ്, ലിഥിയം അയോണുകൾ യഥാക്രമം ഒക്ടാഹെഡ്രൽ, ടെട്രാഹെഡ്രൽ സൈറ്റുകൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. ത്രിമാന ചട്ടക്കൂട് ലിഥിയം അയോണുകൾക്ക് സ്വതന്ത്രമായി സഞ്ചരിക്കുന്നതിന് പരസ്പരം ബന്ധിപ്പിച്ച പാതകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു, ഇത് പ്രായോഗിക ബാറ്ററി പ്രകടനത്തിലേക്ക് നേരിട്ട് വിവർത്തനം ചെയ്യുന്നു.

ഈ വാസ്തുവിദ്യാ രൂപകൽപന രണ്ട്-ഡൈമൻഷണൽ കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകളെ ബാധിക്കുന്ന ഒരു പ്രശ്നം പരിഹരിക്കുന്നു. പരിമിതമായ പ്ലാനർ റൂട്ടുകളിലൂടെ സഞ്ചരിക്കാൻ അയോണുകളെ നിർബന്ധിക്കുന്നതിനുപകരം, സ്പൈനൽ ഘടന ത്രിമാനങ്ങളിൽ ഒന്നിലധികം പാതകൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. വേഗത്തിലുള്ള അയോൺ ഗതാഗതം, കുറഞ്ഞ ആന്തരിക പ്രതിരോധം, മെച്ചപ്പെട്ട കറൻ്റ് കൈകാര്യം ചെയ്യാനുള്ള കഴിവ് എന്നിവയാണ് ഫലം. ദ്രുത ചാർജ്ജ്-ഡിസ്‌ചാർജ് സൈക്കിളുകളിൽ പോലും ഈ ഘടന അതിൻ്റെ സമഗ്രത നിലനിർത്തുന്നതായി പഠനങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു, ഇത് ദ്രുത പവർ ഡെലിവറി ആവശ്യമുള്ള ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് LMO യെ പ്രത്യേകിച്ച് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

LMO-യിലെ മാംഗനീസ് ഉള്ളടക്കം ഒരു മിക്സഡ് വാലൻസ് അവസ്ഥയിലാണ് നിലനിൽക്കുന്നത്, Mn³⁺, Mn⁴⁺ അയോണുകളുടെ തുല്യ അനുപാതങ്ങൾ ഒക്ടാഹെഡ്രൽ സൈറ്റുകൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. ഈ മിക്സഡ് ഓക്സിഡേഷൻ അവസ്ഥ ബാറ്ററി പ്രവർത്തന സമയത്ത് സംഭവിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ നിർണായക പങ്ക് വഹിക്കുന്നു, ഇത് റിവേർസിബിൾ ലിഥിയം ഉൾപ്പെടുത്തലിനും വേർതിരിച്ചെടുക്കലിനും അനുവദിക്കുന്നു.

ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയയിൽ, ലിഥിയം അയോണുകൾ ആനോഡിൽ നിന്ന് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് വഴി എൽഎംഒ കാഥോഡിലേക്ക് മൈഗ്രേറ്റ് ചെയ്യുന്നു, അവിടെ മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് ചട്ടക്കൂടിനുള്ളിൽ ടെട്രാഹെഡ്രൽ സൈറ്റുകൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകൾ ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിലൂടെ ഒഴുകുന്നു, വൈദ്യുത പ്രവാഹം സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ചാർജുചെയ്യുമ്പോൾ, ഈ പ്രക്രിയ കാഥോഡിൽ നിന്ന് ലിഥിയം അയോണുകൾ വേർതിരിച്ചെടുക്കുകയും ആനോഡിലേക്ക് മടങ്ങുകയും ചെയ്യുന്നു.

വോൾട്ടേജ് സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ മറ്റ് കാഥോഡ് രസതന്ത്രങ്ങളിൽ നിന്ന് എൽഎംഒയെ വേർതിരിക്കുന്നു. എൽഎംഒ ബാറ്ററികൾ സാധാരണയായി ഏകദേശം 4.0V എന്ന നാമമാത്ര വോൾട്ടേജിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നു, ലിഥിയം കോബാൾട്ട് ഓക്സൈഡ് (LCO) സിസ്റ്റങ്ങളേക്കാൾ അല്പം കൂടുതലാണ്. ഈ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് ഓരോ യൂണിറ്റ് പിണ്ഡത്തിനും മെച്ചപ്പെട്ട ഊർജ്ജ ഉൽപ്പാദനത്തിന് കാരണമാകുന്നു, എന്നിരുന്നാലും, നിക്കൽ-സമ്പന്നമായ കാഥോഡ് പദാർത്ഥങ്ങളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ മൊത്തത്തിലുള്ള ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത മിതമായ നിലയിലാണ്.

മാംഗനീസ്-ഓക്‌സിജൻ ചട്ടക്കൂടിനെ കാര്യമായി തടസ്സപ്പെടുത്താതെ സ്‌പൈനൽ ഘടനയിലേക്ക് ലിഥിയം അയോണുകൾ റിവേഴ്‌സിബിൾ ആയി തിരുകുകയും അതിൽ നിന്ന് വേർതിരിച്ചെടുക്കുകയും ചെയ്യുന്ന ഒരു പ്രക്രിയയിലൂടെയാണ് LMO-യിലെ ഇൻ്റർകലേഷൻ സംവിധാനം സംഭവിക്കുന്നത്. സൈക്ലിംഗ് സമയത്ത് ഈ ഘടനാപരമായ സ്ഥിരത ഒരു നേട്ടവും പരിമിതിയുമാണ്, വെല്ലുവിളികളുടെ വിഭാഗത്തിൽ ഞങ്ങൾ അത് പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യും.

കുറഞ്ഞ കാലയളവിനുള്ളിൽ ഉയർന്ന പവർ ഔട്ട്പുട്ട് ആവശ്യപ്പെടുന്ന ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ എൽഎംഒ ബാറ്ററികൾ മികച്ചതാണ്. പവർ ടൂളുകൾ ഒരു പ്രധാന മാർക്കറ്റ് വിഭാഗത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു, അവിടെ ഡ്രില്ലിംഗ്, കട്ടിംഗ്, ഫാസ്റ്റണിംഗ് പ്രവർത്തനങ്ങൾക്ക് ഗണ്യമായ കറൻ്റ് നൽകാനുള്ള എൽഎംഒയുടെ കഴിവിനെ നിർമ്മാതാക്കൾ വിലമതിക്കുന്നു. ദ്രുത ഡിസ്ചാർജ് ശേഷി, ഉപകരണ ഉപയോഗത്തിൻ്റെ ഇടയ്‌ക്കിടെയുള്ള, ഉയർന്ന{2}}പവർ സ്വഭാവവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.

മറ്റ് കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകളുമായി സംയോജിപ്പിച്ചാലും, ഹൈബ്രിഡ്, ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളിൽ ഓട്ടോമോട്ടീവ് മേഖല എൽഎംഒ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, നിസാൻ ലീഫും ഷെവി വോൾട്ടും LMO-NMC (Nickel Manganese Cobalt) കലർന്ന കാഥോഡുകൾ ഉപയോഗിച്ചു. ഈ ഹൈബ്രിഡ് സമീപനം സുസ്ഥിരമായ റേഞ്ചിനായി എൻഎംസിയെ ആശ്രയിക്കുമ്പോൾ തന്നെ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള എൽഎംഒയുടെ ഉയർന്ന പവർ ശേഷിയെ സ്വാധീനിക്കുന്നു. സമീപകാല ഡാറ്റ സൂചിപ്പിക്കുന്നത് അത്തരം മിശ്രിത സിസ്റ്റങ്ങളിലെ ഏകദേശം 30% LMO ഉള്ളടക്കം മികച്ച പ്രകടന ബാലൻസ് നൽകുന്നു.

എൽഎംഒയുടെ സുരക്ഷാ പ്രൊഫൈലിൽ നിന്നും പവർ സവിശേഷതകളിൽ നിന്നും മെഡിക്കൽ ഉപകരണങ്ങൾ പ്രയോജനപ്പെടുന്നു. ശസ്ത്രക്രിയാ ഉപകരണങ്ങൾ, പോർട്ടബിൾ ഡിഫിബ്രിലേറ്ററുകൾ, ഇൻഫ്യൂഷൻ പമ്പുകൾ എന്നിവ എൽഎംഒ ബാറ്ററികൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു, കാരണം താപ സ്ഥിരത ഗുരുതരമായ പരിചരണ പരിതസ്ഥിതികളിൽ തീപിടുത്ത സാധ്യത കുറയ്ക്കുന്നു. 2024-ലെ മെഡിക്കൽ ബാറ്ററി സുരക്ഷയെക്കുറിച്ചുള്ള ഒരു വിശകലനത്തിൽ, മറ്റ് ലിഥിയം അയോൺ കെമിസ്ട്രികളുമായുള്ള ഒറ്റപ്പെട്ട സംഭവങ്ങളുമായി താരതമ്യം ചെയ്യുമ്പോൾ, ക്ലിനിക്കൽ ക്രമീകരണങ്ങളിൽ LMO ബാറ്ററികളിൽ രേഖപ്പെടുത്തിയ തീപിടിത്ത സംഭവങ്ങൾ പൂജ്യമാണെന്ന് കണ്ടെത്തി.

ഇലക്ട്രിക് സൈക്കിളുകളും സ്കൂട്ടറുകളും എൽഎംഒ സാങ്കേതികവിദ്യ കൂടുതലായി സ്വീകരിക്കുന്നു, പ്രത്യേകിച്ച് ഏഷ്യൻ വിപണികളിൽ. ചെലവിൻ്റെ-ഫലപ്രാപ്തിയും മതിയായ പവർ ഡെലിവറിയും ഈ വാഹനങ്ങളുടെ-ഉപയോഗ പാറ്റേണുകൾക്ക് അനുയോജ്യമാണ്, ഇടയ്ക്കിടെ ഉയർന്ന പവർ{3}}കുന്നുകയറ്റത്തിനോ വേഗത്തിലുള്ള ത്വരിതപ്പെടുത്തലിനോ വേണ്ടിയുള്ള{3}}.

ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റിൽ (LFP) നിന്നുള്ള മത്സരത്തെ ഈ ആപ്ലിക്കേഷന് അഭിമുഖീകരിക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും, പുനരുപയോഗിക്കാവുന്ന സംയോജനത്തിനായുള്ള ഊർജ്ജ സംഭരണ സംവിധാനങ്ങളും LMO ഉപയോഗിക്കുന്നു. 2025-ൽ ഒരു സ്വീഡിഷ് സോളാർ ഫാം പ്രോജക്റ്റ് 50 മെഗാവാട്ട് സോഡിയം -മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് ബാറ്ററികൾ (ഒരു വേരിയൻ്റ് ടെക്നോളജി) വിന്യസിച്ചു, മാംഗനീസ് അധിഷ്‌ഠിത ഊർജ സംഭരണത്തിൽ നടന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന നൂതനത്വം പ്രകടമാക്കുന്നു.

Lithium Manganese Oxide

മാംഗനീസിൻ്റെ സമൃദ്ധി എൽഎംഒയെ സാമ്പത്തികമായി ആകർഷകമാക്കുന്നു. കോബാൾട്ടിനേക്കാളും നിക്കലിനേക്കാളും സമൃദ്ധമായ മാംഗനീസ് ഭൂമിയുടെ പുറംതോടിൽ 12-ാം സ്ഥാനത്താണ്. ഈ ലഭ്യത സ്ഥിരമായ വിലനിർണ്ണയത്തിലേക്കും കുറഞ്ഞ വിതരണ ശൃംഖലയിലെ അപകടസാധ്യതയിലേക്കും വിവർത്തനം ചെയ്യുന്നു. അസംസ്‌കൃത വസ്തുക്കളുടെ ചെലവുകൾ കണക്കാക്കുമ്പോൾ LMO മെറ്റീരിയലുകളുടെ വില നിക്കൽ-കൊബാൾട്ട്-മാംഗനീസ് (NCM) ബദലുകളേക്കാൾ ഏകദേശം 20% കുറവാണെന്ന് നിലവിലെ മാർക്കറ്റ് ഡാറ്റ കാണിക്കുന്നു.

പാരിസ്ഥിതിക പരിഗണനകൾ കോബാൾട്ട്-ഇൻ്റൻസീവ് കെമിസ്ട്രിയേക്കാൾ LMO-യെ അനുകൂലിക്കുന്നു. മാംഗനീസ് വേർതിരിച്ചെടുക്കൽ, പാരിസ്ഥിതിക ആഘാതം കൂടാതെ, ചില പ്രദേശങ്ങളിലെ കൊബാൾട്ട് ഖനനവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട നിരവധി ധാർമ്മിക ആശങ്കകൾ ഒഴിവാക്കുന്നു. മെറ്റീരിയലിൻ്റെ-വിഷരഹിതമായ സ്വഭാവം നിർമ്മാണ, പുനരുപയോഗ പ്രക്രിയകളിൽ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നത് ലളിതമാക്കുന്നു. ബാറ്ററി റീസൈക്ലിംഗ് സൗകര്യങ്ങൾക്ക് സ്ഥാപിത മെറ്റലർജിക്കൽ ടെക്നിക്കുകൾ ഉപയോഗിച്ച് എൽഎംഒ പ്രോസസ്സ് ചെയ്യാനും പുതിയ ബാറ്ററികളിലോ മറ്റ് വ്യാവസായിക ആപ്ലിക്കേഷനുകളിലോ പുനരുപയോഗത്തിനായി മാംഗനീസ് വീണ്ടെടുക്കാനും കഴിയും.

താപ സ്ഥിരത ഒരു പ്രധാന സുരക്ഷാ നേട്ടത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. LMO കാഥോഡുകൾ തെർമൽ റൺ എവേയെ പ്രതിരോധിക്കും സാധാരണ ലിഥിയം അയോൺ കോൺഫിഗറേഷനുകളെ അപേക്ഷിച്ച് 58% കുറഞ്ഞ തെർമൽ റൺവേ റിസ്ക് LMO കാണിക്കുന്നുവെന്ന് UL സ്റ്റാൻഡേർഡുകൾ അനുസരിച്ചുള്ള പരിശോധന തെളിയിക്കുന്നു. സ്പൈനൽ ഘടനയുടെ അന്തർലീനമായ സ്ഥിരത അർത്ഥമാക്കുന്നത് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ LMO പ്രകടനം നിലനിർത്തുന്നു, കാര്യമായ അപചയമില്ലാതെ 60 ഡിഗ്രി (140 ഡിഗ്രി F) വരെ സുരക്ഷിതമായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു.

ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ് കഴിവ് ത്രിമാന അയോൺ പാതകളിൽ നിന്നാണ്. LMO ബാറ്ററികൾക്ക് 1C യിൽ കൂടുതലുള്ള നിരക്കിൽ (ഒരു മണിക്കൂറിനുള്ളിൽ പൂർണ്ണമായി ചാർജ്ജ് ചെയ്യുക) കാര്യമായ പെർഫോമൻസ് ഡിഗ്രേഡേഷൻ ഇല്ലാതെ ചാർജ് സ്വീകരിക്കാം. ദ്രുതഗതിയിലുള്ള ചാർജിംഗ് സാഹചര്യങ്ങളിൽ ശേഷി നഷ്ടപ്പെടുന്ന ചില കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകളുമായി ഇത് വ്യത്യസ്‌തമാണ്.

വിപുലീകൃത സൈക്ലിംഗ് സമയത്ത് ശേഷി കുറയുന്നത് LMO യുടെ ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട വെല്ലുവിളിയാണ്. എൽഎംഒ ബാറ്ററികൾ സാധാരണയായി 300-700 ചാർജ് സൈക്കിളുകൾ നൽകുന്നു, ശേഷി 80% ആയി കുറയുന്നതിന് മുമ്പ് - LFP ബാറ്ററികൾ നേടിയ 1,500-3,000 സൈക്കിളുകളേക്കാൾ വളരെ കുറവാണ്. ഈ പരിമിതി ഉയർന്ന താപനിലയിൽ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്ന ഒരു പ്രതിഭാസമായ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിലേക്ക് മാംഗനീസ് അലിഞ്ഞുചേരുന്നതിൽ നിന്നാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്.

പിരിച്ചുവിടൽ സംവിധാനത്തിൽ കാഥോഡ് ഘടനയിൽ നിന്ന് വേർപെടുത്തുന്ന Mn²⁺ അയോണുകൾ ഉൾപ്പെടുന്നു, പ്രത്യേകിച്ച് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് വിഘടിപ്പിക്കലിൽ നിന്ന് രൂപപ്പെടുന്ന ഹൈഡ്രോഫ്ലൂറിക് ആസിഡിൻ്റെ (HF) സാന്നിധ്യത്തിൽ. ഈ അലിഞ്ഞുചേർന്ന മാംഗനീസ് അയോണുകൾ ആനോഡിലേക്ക് മൈഗ്രേറ്റ് ചെയ്യുന്നു, അവിടെ അവ നിക്ഷേപിക്കുകയും സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഇൻ്റർഫേസ് (SEI) പാളിയിൽ ഇടപെടുകയും ചെയ്യുന്നു. കാലക്രമേണ, ഈ പ്രക്രിയ രണ്ട് ഇലക്ട്രോഡുകളെയും തരംതാഴ്ത്തുന്നു, മൊത്തത്തിലുള്ള ബാറ്ററി ശേഷിയും പ്രകടനവും കുറയ്ക്കുന്നു.

ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത പരിമിതികൾ പരമാവധി സംഭരണ ശേഷി ആവശ്യമുള്ള ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ LMO യുടെ മത്സരക്ഷമതയെ നിയന്ത്രിക്കുന്നു. NMC-ക്ക് 150-250 Wh/kg ഉം ഉയർന്ന നിക്കൽ കാഥോഡുകൾക്ക് 250-300 Wh/kg ഉം ആയപ്പോൾ LMO ബാറ്ററികൾ ഏകദേശം 100-150 Wh/kg കൈവരിക്കുന്നു. ദൈർഘ്യമേറിയ ഡ്രൈവിംഗ് ശ്രേണിക്ക് മുൻഗണന നൽകുന്ന ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾക്ക്, ഈ ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത വിടവ് നേരിട്ട് ഒരു ചാർജിന് മൈലേജ് കുറയ്ക്കുകയോ അല്ലെങ്കിൽ തത്തുല്യമായ ശ്രേണി കൈവരിക്കുന്നതിന് ബാറ്ററി ഭാരം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയോ ചെയ്യുന്നു.

Jahn-ടെല്ലർ പ്രഭാവം മറ്റൊരു ഘടനാപരമായ വെല്ലുവിളി ഉയർത്തുന്നു. ഏകദേശം 3V യിൽ താഴെ ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോൾ, Mn³⁺ അയോണുകൾ ഒരു ജ്യാമിതീയ വികലത്തിന് വിധേയമാകുന്നു, അത് ക്യൂബിക് സ്പൈനൽ ഘടനയെ ടെട്രാഗണൽ സമമിതിയായി മാറ്റുന്നു. ഈ ഘട്ട സംക്രമണം അനിസോട്രോപിക് വോളിയം മാറ്റങ്ങൾക്ക് കാരണമാകുന്നു-സ്ഫടികം മറ്റുള്ളവയേക്കാൾ ചില ദിശകളിലേക്ക് കൂടുതൽ വികസിക്കുന്നു. ഈ പരിവർത്തനത്തിലൂടെയുള്ള ആവർത്തിച്ചുള്ള സൈക്ലിംഗ് മെക്കാനിക്കൽ സമ്മർദ്ദം സൃഷ്ടിക്കുന്നു, ഇത് ശേഷി മങ്ങുന്നതിനും ഒടുവിൽ ഘടനാപരമായ തകർച്ചയ്ക്കും കാരണമാകുന്നു.

ഗവേഷകർ വിവിധ ലഘൂകരണ തന്ത്രങ്ങൾ പിന്തുടർന്നു. അലുമിനിയം ഓക്സൈഡ് (Al₂O₃), ടൈറ്റാനിയം ഡയോക്സൈഡ് (TiO₂), അല്ലെങ്കിൽ ചാലക കാർബൺ പാളികൾ പോലുള്ള വസ്തുക്കൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഉപരിതല കോട്ടിങ്ങുകൾക്ക് ഒരു സംരക്ഷിത തടസ്സം സൃഷ്ടിച്ച് മാംഗനീസ് അലിയുന്നത് തടയാൻ കഴിയും. കാഥോഡ് പ്രതലവുമായുള്ള നേരിട്ടുള്ള ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് സമ്പർക്കം തടയുന്നതിലൂടെ Al₂O₃ കോട്ടിംഗുകളുടെ ആറ്റോമിക് പാളി നിക്ഷേപം സൈക്കിൾ ആയുസ്സ് 500 മുതൽ 1,200 വരെ നീട്ടിയതായി 2024 ലെ ഒരു പഠനം തെളിയിച്ചു.

ഡോപ്പിംഗ് തന്ത്രങ്ങളിൽ ചെറിയ അളവിൽ വിദേശ മൂലകങ്ങളെ സ്പൈനൽ ഘടനയിലേക്ക് മാറ്റി സ്ഥാപിക്കുന്നത് ഉൾപ്പെടുന്നു. അലുമിനിയം, നിക്കൽ അല്ലെങ്കിൽ ക്രോമിയം പോലുള്ള മൂലകങ്ങൾ ഉൾപ്പെടുത്തുന്നത് ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയെ സുസ്ഥിരമാക്കുകയും Jahn-ടെല്ലർ പ്രഭാവം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും. 2024-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ഗവേഷണം, LiMn₂₋ₓAlₓO₄₋yFy സംയുക്തങ്ങളിൽ അലുമിനിയം, ഫ്ലൂറിൻ എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് ഇരട്ട പകരം വയ്ക്കുന്നത് ഉയർന്ന-താപനില ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്തി.

അടിസ്ഥാന LiMn₂O₄ സ്പൈനലിനപ്പുറം, നിർദ്ദിഷ്ട പ്രകടന ആവശ്യകതകൾ പരിഹരിക്കുന്നതിന് നിരവധി വകഭേദങ്ങൾ ഉയർന്നുവന്നിട്ടുണ്ട്. ലിഥിയം-സമ്പുഷ്ടമായ മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് (LRMO) മെറ്റീരിയലുകൾ, Li₁₊ₓMn₂₋ₓO₄ അല്ലെങ്കിൽ ലേയേർഡ് Li₂MnO₃ സംയുക്തങ്ങൾ, 250 mAh/g കവിയുന്ന വർദ്ധിത ശേഷി വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. വോൾട്ടേജ് ഫേയ്ഡും പ്രാരംഭ കാര്യക്ഷമതയില്ലായ്മയും ഉപയോഗിച്ച് ഗവേഷകർ അവരുടെ അന്തർലീനമായ വെല്ലുവിളികളെ മറികടക്കാൻ ശ്രമിക്കുന്നതിനാൽ ഈ മെറ്റീരിയലുകൾ സമീപ വർഷങ്ങളിൽ ശ്രദ്ധ നേടി.

LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ (LNMO) പോലുള്ള ഉയർന്ന-വോൾട്ടേജ് സ്പൈനൽ വകഭേദങ്ങൾ ഏകദേശം 4.7V യിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നു, ഇത് 200 Wh/kg വരെ ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത നൽകുന്നു. 400 കിലോമീറ്റർ റേഞ്ച് ലക്ഷ്യമിട്ട് 2026-ഓടെ എൽഎൻഎംഒ കാഥോഡുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു പ്രോട്ടോടൈപ്പ് ഇലക്ട്രിക് വാഹനം പുറത്തിറക്കാനുള്ള പദ്ധതികൾ ടൊയോട്ട 2024-ൽ പ്രഖ്യാപിച്ചു. ഉയർന്ന വോൾട്ടേജുകളിലെ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് സ്ഥിരതയാണ് എൽഎൻഎംഒയ്‌ക്കെതിരായ വെല്ലുവിളി, ഇത് സൈക്ലിംഗ് സമയത്ത് വാതകം നശിപ്പിക്കുകയും ഉത്പാദിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. 2023-ൽ ഗവേഷകർ വികസിപ്പിച്ച ഫ്ലൂറിനേറ്റഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് വാതക രൂപീകരണം 90% കുറച്ചു, ഈ പരിമിതി പരിഹരിക്കുന്നു.

പ്രകടനം ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിന് കോമ്പോസിറ്റ് കാഥോഡ് ആർക്കിടെക്ചറുകൾ മറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളുമായി എൽഎംഒയെ സംയോജിപ്പിക്കുന്നു. CATL-ൻ്റെ M3P ബാറ്ററി, മാംഗനീസ്{2}}സമ്പുഷ്ടമായ കോമ്പോസിഷനുകളെ ഫോസ്ഫേറ്റ് അധിഷ്‌ഠിത രസതന്ത്രവുമായി സംയോജിപ്പിക്കുന്നു, മത്സര പ്രകടനം നിലനിർത്തിക്കൊണ്ടുതന്നെ സാധാരണ NMC ബാറ്ററികളേക്കാൾ 15% കുറഞ്ഞ ചിലവ് കൈവരിക്കുന്നു. ഏകീകൃത-കെമിസ്ട്രി സൊല്യൂഷനുകൾക്ക് പകരം നിർദ്ദിഷ്ട ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് അനുയോജ്യമായ ഇഷ്‌ടാനുസൃതമാക്കിയ കാഥോഡ് കോമ്പോസിഷനുകളിലേക്കുള്ള ഒരു വ്യവസായ പ്രവണതയെ ഈ മിശ്രിത സമീപനങ്ങൾ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു.

പാളികളുള്ള മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് ഘടനകൾ, സ്പൈനലുകളേക്കാൾ സാധാരണമല്ലെങ്കിലും, വ്യത്യസ്ത പ്രകടന സവിശേഷതകൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. നിയന്ത്രിത ഘടനാപരമായ ക്രമക്കേടുള്ള ഒരു ലേയേർഡ് ലിഥിയം മാംഗനീസ് ഓക്‌സൈഡായ ലി-ബിർനെസൈറ്റിനെക്കുറിച്ചുള്ള 2024 ലെ ഒരു പഠനം, അനാവശ്യ ഘട്ട സംക്രമണങ്ങളെ അടിച്ചമർത്തിക്കൊണ്ട് സൈദ്ധാന്തിക ശേഷിയോട് അടുത്ത് റിവേഴ്‌സിബിൾ സൈക്ലിംഗ് പ്രകടമാക്കി. ആറ്റോമിക് സ്കെയിലിലെ സൂക്ഷ്മമായ ഘടനാപരമായ എഞ്ചിനീയറിംഗിന് പരമ്പരാഗത എൽഎംഒ പരിമിതികളെ മറികടക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് ഈ ഗവേഷണ ദിശ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

വാണിജ്യ LMO ഉൽപ്പാദനം സാധാരണയായി സോളിഡ്-സംസ്ഥാന സംശ്ലേഷണം ഉപയോഗിക്കുന്നു, അവിടെ ലിഥിയം കാർബണേറ്റ് (Li₂CO₃) അല്ലെങ്കിൽ ലിഥിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് (LiOH) ഉയർന്ന താപനിലയിൽ (700-900 ഡിഗ്രി ) മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് മുൻഗാമികളുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നു. ഊഷ്മാവ്, സമയം, മുൻഗാമി തിരഞ്ഞെടുക്കൽ എന്നിവയിലൂടെ നിയന്ത്രിക്കപ്പെടുന്ന കണങ്ങളുടെ വലിപ്പവും രൂപഘടനയും ഉപയോഗിച്ച് കാൽസിനേഷൻ പ്രക്രിയ സ്പൈനൽ ഘടനയെ രൂപപ്പെടുത്തുന്നു.

നിർമ്മാണത്തിലെ പുരോഗതി ചെലവ് കുറയ്ക്കുന്നതിനും മെറ്റീരിയൽ ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും ലക്ഷ്യമിടുന്നു. 2024-ലെ ഒരു പഠനം ശുദ്ധീകരിച്ച ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിക് മാംഗനീസ് ഡയോക്‌സൈഡിന് (ഇഎംഡി) പകരം മാംഗനീസ് അയിരിൽ നിന്ന് ആരംഭിക്കുന്ന ഒരു സമ്പൂർണ്ണ സിന്തസിസ് പാത വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു. ഈ നേരിട്ടുള്ള-

ഹൈഡ്രോതെർമൽ അല്ലെങ്കിൽ സോൾ-ജെൽ ടെക്നിക്കുകൾ പോലെയുള്ള പരിഹാര{0}}അധിഷ്‌ഠിത സിന്തസിസ് രീതികൾ കണങ്ങളുടെ വലുപ്പത്തിലും രൂപഘടനയിലും മികച്ച നിയന്ത്രണം നൽകുന്നു. ഈ സമീപനങ്ങൾക്ക് ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം വർദ്ധിക്കുന്ന നാനോ സ്കെയിൽ എൽഎംഒ കണങ്ങൾ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് നിരക്ക് പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താൻ സാധ്യതയുണ്ട്. എന്നിരുന്നാലും, വാണിജ്യ ഉൽപ്പാദനത്തിനായുള്ള സോളിഡ്-സംസ്ഥാന സംശ്ലേഷണത്തേക്കാൾ പരിഹാര രീതികൾക്ക് പൊതുവെ കൂടുതൽ ചിലവ് വരും.

സിന്തസിസ് സമയത്തോ അതിനുശേഷമോ പ്രയോഗിക്കുന്ന ഉപരിതല പരിഷ്‌ക്കരണ വിദ്യകൾ എൽഎംഒ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തും. കെമിക്കൽ നീരാവി നിക്ഷേപം, ആറ്റോമിക് പാളി നിക്ഷേപം അല്ലെങ്കിൽ ആർദ്ര രാസ രീതികൾ എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് പൂശുന്ന പ്രക്രിയകൾ മാംഗനീസ് പിരിച്ചുവിടൽ ലഘൂകരിക്കുന്ന സംരക്ഷണ പാളികൾ പ്രയോഗിക്കുന്നു. കോട്ടിംഗ് കനം, സാധാരണയായി 5{3}}20 നാനോമീറ്റർ, അയോൺ ഗതാഗത പ്രതിരോധത്തിനെതിരെയുള്ള സംരക്ഷണം സന്തുലിതമാക്കണം-കട്ടിയുള്ള കോട്ടിംഗുകൾ മികച്ച സംരക്ഷണം നൽകുന്നു, എന്നാൽ ലിഥിയം-അയൺ ചലനം മന്ദഗതിയിലാക്കുന്നു.

ആഗോള എൽഎംഒ കാഥോഡ് വിപണി 2024-ൽ 2.31 ബില്യൺ ഡോളറിലെത്തി, 7.1% സംയുക്ത വാർഷിക വളർച്ചാ നിരക്കിൽ 2033-ഓടെ 4.29 ബില്യൺ ഡോളറിൻ്റെ വളർച്ചയെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഈ വിപുലീകരണം മൊത്തത്തിൽ വർദ്ധിച്ച ലിഥിയം ബാറ്ററി ആവശ്യകതയെയും ചില ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ എൽഎംഒയുടെ പ്രത്യേക നേട്ടങ്ങളെയും പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്നു.

ഏകദേശം 54% മാർക്കറ്റ് ഷെയറുമായി (2024-ൽ 1.25 ബില്യൺ ഡോളർ) ഏഷ്യാ പസഫിക് ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നതായി റീജിയണൽ ഡൈനാമിക്സ് കാണിക്കുന്നു. ചൈന, ജപ്പാൻ, ദക്ഷിണ കൊറിയ എന്നിവ പ്രധാന ബാറ്ററി നിർമ്മാതാക്കൾക്ക് ആതിഥേയത്വം വഹിക്കുകയും ഉൽപ്പാദനവും ആവശ്യവും വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ രാജ്യങ്ങളിലെ വൈദ്യുത വാഹനങ്ങൾക്കുള്ള സർക്കാർ ആനുകൂല്യങ്ങളും പുനരുപയോഗ ഊർജ സംഭരണവും എൽഎംഒ ദത്തെടുക്കലിന് നേരിട്ട് ഗുണം ചെയ്യും. വടക്കേ അമേരിക്കയും യൂറോപ്പും ചേർന്ന് വിപണിയുടെ ഏകദേശം 45% വരും, ഓട്ടോമോട്ടീവ് വൈദ്യുതീകരണവും ഊർജ്ജ സംഭരണ പദ്ധതികളും വഴിയുള്ള വളർച്ചയാണ്.

ഇതര കാഥോഡ് രസതന്ത്രങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള മത്സരം LMO യുടെ വിപണി സ്ഥാനം രൂപപ്പെടുത്തുന്നു. ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് അതിൻ്റെ മികച്ച സൈക്കിൾ ജീവിതവും സുരക്ഷാ സവിശേഷതകളും കാരണം, പ്രത്യേകിച്ച് ചൈനയിൽ കാര്യമായ നില നേടിയിട്ടുണ്ട്. എൽഎഫ്പി ഉൽപ്പാദനം വർധിച്ചതോടെ എൽഎംഒയും എൽഎഫ്പിയും തമ്മിലുള്ള വില വ്യത്യാസം കുറഞ്ഞു. എന്നിരുന്നാലും, ഉയർന്ന-പവർ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ അതിൻ്റെ സ്ഥാനം നിലനിർത്തിക്കൊണ്ട്, പ്രത്യേക ശക്തിയിലും വോൾട്ടേജിലും LMO ഗുണങ്ങൾ നിലനിർത്തുന്നു.

നയ സംഭവവികാസങ്ങൾ LMO ദത്തെടുക്കലിനെ സ്വാധീനിക്കുന്നു. യൂറോപ്യൻ യൂണിയൻ്റെ 2027-ലെ ബാറ്ററി നിയന്ത്രണം സുസ്ഥിരത ആവശ്യകതകളും മെറ്റീരിയൽ ട്രേസബിലിറ്റി മാൻഡേറ്റുകളും ചുമത്തുന്നു. കുറഞ്ഞ പാരിസ്ഥിതികവും ധാർമ്മികവുമായ ആശങ്കകൾ കാരണം ഈ നിയന്ത്രണങ്ങൾ മാംഗനീസ്{3}}അധിഷ്‌ഠിത രസതന്ത്രങ്ങളെ കോബാൾട്ടിനെക്കാൾ-അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള രസതന്ത്രത്തെ അനുകൂലിക്കുന്നു. ചില നിർദ്ദേശങ്ങളിൽ കോബാൾട്ട് ഉള്ളടക്കത്തിന് മേലുള്ള സർചാർജുകൾ ഉൾപ്പെടുന്നു, ഇത് നടപ്പിലാക്കിയാൽ ചില വിപണികളിൽ NMC-യെക്കാൾ 20% വിലക്കുറവിൽ LMO-യെ ആക്കും.

ഗവേഷണ ഫണ്ടിംഗ് മാംഗനീസ് അധിഷ്ഠിത ബാറ്ററികളിലുള്ള-തുടർച്ചയായ താൽപ്പര്യത്തെ പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്നു. യു.എസ് ഊർജ വകുപ്പ് 2024-2027 മുതൽ മാംഗനീസ് അധിഷ്‌ഠിത ബാറ്ററി ഗവേഷണത്തിനും വികസനത്തിനുമായി $2 ബില്യൺ അനുവദിച്ചു കോബാൾട്ട് പോലുള്ള നിർണായക ധാതുക്കളിൽ നിന്ന് ബാറ്ററി വിതരണ ശൃംഖലയെ വൈവിധ്യവത്കരിക്കുന്നതിൽ മാംഗനീസിൻ്റെ പങ്ക് സർക്കാർ അംഗീകരിക്കണമെന്ന് ഈ നിക്ഷേപ സൂചന സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

സോളിഡ്-സ്‌റ്റേറ്റ് ബാറ്ററി സംയോജനം എൽഎംഒ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ സാധ്യതയുള്ള മുന്നേറ്റത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ ലിക്വിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിനെ ഇല്ലാതാക്കുന്നു, ഇത് മാംഗനീസ് പിരിച്ചുവിടൽ സുഗമമാക്കുന്നു, ഇത് എൽഎംഒയുടെ പ്രാഥമിക ഡീഗ്രേഡേഷൻ മെക്കാനിസം പരിഹരിക്കുന്നു. ക്വാണ്ടംസ്‌കേപ്പിൻ്റെ 2024-ലെ LMO ഡാറ്റ സെറാമിക് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റുകളുമായി ജോടിയാക്കിയത് 1C നിരക്കിൽ 500 സൈക്കിളുകൾ കൈവരിച്ചു, എന്നിരുന്നാലും ലിക്വിഡ് ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് സെല്ലുകളേക്കാൾ ഇൻ്റർഫേഷ്യൽ പ്രതിരോധം മൂന്നിരട്ടി കൂടുതലാണ്. Li₃PS₄ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിനൊപ്പം LiMn₂O₄ കാഥോഡ് ഉപയോഗിച്ചുള്ള ടൊയോട്ടയുടെ സോളിഡ്-സ്‌റ്റേറ്റ് പ്രോട്ടോടൈപ്പ് 300 Wh/kg ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത പ്രകടമാക്കി, LMO-യുടെ സുരക്ഷാ നേട്ടങ്ങൾ നിലനിർത്തിക്കൊണ്ടുതന്നെ NMC പ്രകടന നിലവാരത്തിലേക്ക് അടുക്കുന്നു.

Lithium Manganese Oxide

LMO മനസ്സിലാക്കുന്നതിന് വിശാലമായ ലിഥിയം ബാറ്ററി ലാൻഡ്‌സ്‌കേപ്പിനുള്ളിലെ സന്ദർഭം ആവശ്യമാണ്. ലിഥിയം കോബാൾട്ട് ഓക്സൈഡ് (LCO) ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത (140-180 Wh/kg) പ്രദാനം ചെയ്യുന്നു, എന്നാൽ മോശം താപ സ്ഥിരതയും ഉയർന്ന വിലയും അനുഭവിക്കുന്നു. പോർട്ടബിൾ ഇലക്ട്രോണിക്സിൽ LCO ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നു, അവിടെ വലുപ്പം ചെലവ് അല്ലെങ്കിൽ ദീർഘായുസ്സ് എന്നിവയെക്കാൾ പ്രധാനമാണ്, എന്നാൽ സുരക്ഷാ ആശങ്കകൾ വലിയ ഫോർമാറ്റ് ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ അതിൻ്റെ ഉപയോഗം പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു.

ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് (LFP) അസാധാരണമായ സൈക്കിൾ ലൈഫും (2,000-5,000 സൈക്കിളുകൾ) മികച്ച സുരക്ഷയും നൽകുന്നു, കുറഞ്ഞ വോൾട്ടേജിൽ (3.2V നാമമാത്ര) പ്രവർത്തിക്കുന്നു. LFP-യുടെ ഊർജ സാന്ദ്രത (90-120 Wh/kg) LMO-യേക്കാൾ താഴെയാണ്, എന്നാൽ അതിൻ്റെ ദീർഘായുസ്സ് ഇടയ്‌ക്കിടെ മാറ്റിസ്ഥാപിക്കാനുള്ള ചെലവ് പ്രാരംഭ വാങ്ങൽ വിലയെ കവിയുന്ന ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് ഇത് ലാഭകരമാക്കുന്നു. ചൈനയുടെ ഇലക്‌ട്രിക് വാഹന വിപണി സ്റ്റാൻഡേർഡ് റേഞ്ച് വാഹനങ്ങൾക്ക് എൽഎഫ്‌പിയെ കൂടുതലായി അനുകൂലിക്കുന്നു, അതേസമയം പ്രകടനത്തിന് മുൻഗണന നൽകുന്ന വിപണികളിൽ എൽഎംഒ-എൻഎംസി മിശ്രിതങ്ങൾ സാധാരണമാണ്.

നിക്കൽ മാംഗനീസ് കോബാൾട്ട് (NMC) ബാറ്ററികൾ നിലവിലുള്ള വാണിജ്യ ഓപ്‌ഷനുകളിൽ (150-250 Wh/kg) ഏറ്റവും ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു, ഇത് ദീർഘദൂര വൈദ്യുത വാഹനങ്ങൾക്ക് മുൻഗണന നൽകുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, നിക്കലിൻ്റെയും കൊബാൾട്ടിൻ്റെയും ഉള്ളടക്കം കാരണം NMC യുടെ വില ഗണ്യമായി കൂടുതലാണ്, കൂടാതെ താപ സ്ഥിരത സംബന്ധിച്ച ആശങ്കകൾക്ക് അത്യാധുനിക ബാറ്ററി മാനേജ്മെൻ്റ് സംവിധാനങ്ങൾ ആവശ്യമാണ്. LMO-യുടെ പവർ ഡെലിവറി ചെറിയ പൊട്ടിത്തെറികളിൽ NMC-യെ കവിയുന്നു, ദ്രുതഗതിയിലുള്ള ത്വരണം ആവശ്യമായ ഹൈബ്രിഡ് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് ഇത് ഒരു മുൻതൂക്കം നൽകുന്നു.

ലിഥിയം ടൈറ്റനേറ്റ് (LTO) ബാറ്ററികൾ വ്യത്യസ്ത കാഥോഡിനുപകരം പരിഷ്കരിച്ച ആനോഡ് ഉപയോഗിക്കുന്നു, എന്നാൽ താരതമ്യം പ്രബോധനാത്മകമാണെന്ന് തെളിയിക്കുന്നു. LTO തീവ്രമായ ദീർഘായുസ്സും (10,{2}} സൈക്കിളുകൾ) സുരക്ഷയും എന്നാൽ വളരെ കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയിൽ (50-80 Wh/kg) വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. എൽഎംഒ കാഥോഡുകളുമൊത്തുള്ള എൽടിഒ ആനോഡുകളുടെ സംയോജനം ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ് ബസ് സിസ്റ്റങ്ങൾ പോലെയുള്ള നിർദ്ദിഷ്‌ട ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്‌ത ബാറ്ററികൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു, കെമിസ്ട്രി ജോടിയാക്കൽ പ്രധാന ആവശ്യകതകളെ എങ്ങനെ ലക്ഷ്യമിടുന്നുവെന്ന് കാണിക്കുന്നു.

ദീർഘകാല പരിമിതികൾ ഗവേഷകർ അഭിസംബോധന ചെയ്തതിനാൽ സമീപ വർഷങ്ങളിൽ LMO നവീകരണത്തിൻ്റെ വേഗത ത്വരിതപ്പെട്ടു. അമേരിക്കൻ കെമിക്കൽ സൊസൈറ്റിയുടെ ജേണലിൽ 2024-ൽ നടത്തിയ ഒരു പഠനം, നിയന്ത്രിത ഘടനാപരമായ തകരാറുള്ള ഒരു ലേയേർഡ് ലിഥിയം മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡിനെ വിവരിച്ചു, അത് സൈദ്ധാന്തിക ശേഷിക്ക് സമീപം റിവേഴ്സിബിൾ സൈക്ലിംഗ് നേടി. ഗവേഷകർ അയോൺ എക്സ്ചേഞ്ചും നിയന്ത്രിത നിർജ്ജലീകരണവും ഉപയോഗിച്ചു, മാംഗനീസ് കുടിയേറ്റത്തെയും പിരിച്ചുവിടലിനെയും അടിച്ചമർത്തുന്ന ഒരു മെറ്റാസ്റ്റബിൾ ലി{3}}ബിർനെസൈറ്റ് ഘടന സൃഷ്ടിക്കുന്നു.

ഉപരിതല പരിഷ്കരണ തന്ത്രങ്ങൾ വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. സൈക്കിൾ ആയുസ്സ് വർദ്ധിപ്പിക്കുമ്പോൾ എൽഎംഒ കണങ്ങളുടെ ഗ്രാഫീൻ എൻക്യാപ്‌സുലേഷൻ ശേഷി 15% മെച്ചപ്പെടുത്തിയതായി 2024 ലെ ഗവേഷകർ തെളിയിച്ചു. ഫ്ലെക്സിബിൾ ഗ്രാഫീൻ പാളി സൈക്ലിംഗ് സമയത്ത് വോളിയം മാറ്റങ്ങളെ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു, അതേസമയം വൈദ്യുതചാലകത നൽകുകയും മാംഗനീസ് പിരിച്ചുവിടലിൽ നിന്ന് സംരക്ഷിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ സമീപനം കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ നാനോ സ്കെയിൽ എഞ്ചിനീയറിംഗിലേക്കുള്ള വിശാലമായ പ്രവണതയെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു.

കോൺസൺട്രേഷൻ ഗ്രേഡിയൻ്റ് ഘടനകൾ ഒരു പ്രതീക്ഷ നൽകുന്ന ദിശയായി ഉയർന്നു. ഓരോ കണികയിലുടനീളമുള്ള ഏകീകൃത ഘടനയ്ക്ക് പകരം, ഈ പദാർത്ഥങ്ങൾ കാമ്പിൽ നിന്ന് ഉപരിതലത്തിലേക്ക് ഘടന വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു. ക്രമാനുഗതമായ പരിവർത്തനം ലളിതമായ പൂശിയ ഘടനകളിൽ വിള്ളലുണ്ടാക്കുന്ന ഇൻ്റർഫേസ് പൊരുത്തക്കേട് ഇല്ലാതാക്കുന്നു. ഈ സമീപനം ഉപയോഗിച്ച് ഉയർന്ന വോൾട്ടേജുകളിൽ സ്ഥിരത മെച്ചപ്പെടുത്തിയതായി നിരവധി ഗവേഷണ ഗ്രൂപ്പുകൾ റിപ്പോർട്ട് ചെയ്തു, എന്നിരുന്നാലും വാണിജ്യപരമായ നടപ്പാക്കൽ പരിമിതമായി തുടരുന്നു.

മെഷീൻ ലേണിംഗ് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ എൽഎംഒ സിന്തസിസും പ്രകടനവും ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യാൻ തുടങ്ങി. ഘടനാപരമായ സ്ഥിരത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്ന ഡോപൻ്റ് കോമ്പിനേഷനുകൾ പ്രവചിക്കാൻ ഗവേഷകർ കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ മോഡലുകൾ ഉപയോഗിച്ചു, ട്രയൽ-,-പരീക്ഷണങ്ങൾ എന്നിവ കുറയ്ക്കുന്നു. 2024-ലെ ഒരു പഠനം, ഉയർന്ന താപനില പ്രകടനത്തിന് ഒപ്റ്റിമൽ അലുമിനിയം-നിക്കൽ കോ{6}}ഡോപ്പിംഗ് അനുപാതം വിജയകരമായി പ്രവചിച്ചു, അത് തുടർന്നുള്ള പരീക്ഷണങ്ങൾ സ്ഥിരീകരിച്ചു.

LMO-യുടെ പരിസ്ഥിതി പ്രൊഫൈൽ ഗുണങ്ങളും വെല്ലുവിളികളും അവതരിപ്പിക്കുന്നു. മാംഗനീസ് വേർതിരിച്ചെടുക്കുന്നതിന് കോബാൾട്ടിനേക്കാളും നിക്കലിനേക്കാളും കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജം{1}}ആവശ്യമാണ്, കൂടാതെ മൂലകത്തിൻ്റെ സമൃദ്ധി സാന്ദ്രീകൃത അയിര് ബോഡികളിലെ സമ്മർദ്ദം കുറയ്ക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, മാംഗനീസ് ഖനനം ഇപ്പോഴും ഭൂമി ശല്യം, ജല ഉപഭോഗം, ശരിയായ രീതിയിൽ കൈകാര്യം ചെയ്തില്ലെങ്കിൽ മലിനീകരണം എന്നിവയിലൂടെ പാരിസ്ഥിതിക ആഘാതം സൃഷ്ടിക്കുന്നു.

വ്യത്യസ്ത ലിഥിയം ബാറ്ററി കെമിസ്ട്രികളെ താരതമ്യം ചെയ്യുന്ന ലൈഫ് സൈക്കിൾ വിലയിരുത്തലുകൾ, കുറഞ്ഞ പ്രോസസ്സിംഗ് ആവശ്യകതകളും കോബാൾട്ടിൻ്റെ ഉന്മൂലനവും കാരണം കാർബൺ കാൽപ്പാടിൽ എൽഎംഒ അനുകൂലമായി പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് കാണിക്കുന്നു. 2023-ലെ ഒരു സമഗ്ര പഠനം കണക്കാക്കിയ LMO ബാറ്ററികൾ ഓരോ kWh അടിസ്ഥാനത്തിലുള്ള NMC തുല്യതയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ നിർമ്മാണ സമയത്ത് ഏകദേശം 15-20% കുറവ് ഹരിതഗൃഹ വാതക ഉദ്‌വമനം ഉണ്ടാക്കുന്നു.

വിശാലമായ ലിഥിയം ബാറ്ററി റീസൈക്ലിംഗ് സിസ്റ്റങ്ങളിൽ എൽഎംഒയ്ക്കുള്ള റീസൈക്ലിംഗ് ഇൻഫ്രാസ്ട്രക്ചർ നിലവിലുണ്ട്. ഹൈഡ്രോമെറ്റലർജിക്കൽ പ്രക്രിയകൾക്ക് ഉയർന്ന ദക്ഷതയോടെ മാംഗനീസ്, ലിഥിയം, മറ്റ് ഘടകങ്ങൾ എന്നിവ വീണ്ടെടുക്കാൻ കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, കോബാൾട്ടിനെയോ നിക്കലിനെയോ അപേക്ഷിച്ച് വീണ്ടെടുക്കപ്പെട്ട മാംഗനീസിൻ്റെ താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ മൂല്യം പുനരുപയോഗത്തിനുള്ള സാമ്പത്തിക പ്രോത്സാഹനങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നു. യൂറോപ്പിൽ നടപ്പിലാക്കുന്നത് പോലെയുള്ള ബാറ്ററി റീസൈക്ലിംഗിനായുള്ള നയ നിർദ്ദേശങ്ങൾ, ശുദ്ധമായ സാമ്പത്തികശാസ്ത്രം പരിഗണിക്കാതെ തന്നെ LMO റീസൈക്ലിംഗ് നിരക്കുകൾ മെച്ചപ്പെടുത്തും.

രണ്ടാമത്തെ-ലൈഫ് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ മറ്റൊരു സുസ്ഥിര പാത വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. ഓട്ടോമോട്ടീവ് ഉപയോഗത്തിനപ്പുറം ഡീഗ്രേഡ് ചെയ്ത LMO ബാറ്ററികൾ സ്ഥിരമായ ഊർജ്ജ സംഭരണത്തിനുള്ള മതിയായ ശേഷി നിലനിർത്തുന്നു, അവിടെ വാഹനങ്ങളേക്കാൾ ഭാരവും ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയും കുറവാണ്. നിരവധി പൈലറ്റ് പ്രോഗ്രാമുകൾ സൗരോർജ്ജ സംഭരണത്തിനായി എൽഎംഒ കാഥോഡുകൾ അടങ്ങിയ റിട്ടയേർഡ് ഇലക്ട്രിക് വാഹന ബാറ്ററികൾ പുനർനിർമ്മിക്കുന്നു, മൊത്തത്തിലുള്ള ഉപയോഗപ്രദമായ ആയുസ്സ് വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും മൊത്തം പാരിസ്ഥിതിക ആഘാതം മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്നു.

മറ്റ് ലിഥിയം{0}}അയൺ തരങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് LMO ബാറ്ററികളെ സുരക്ഷിതമാക്കുന്നത് എന്താണ്?

LMO-യുടെ സ്പൈനൽ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന താപ റൺവേയെ പ്രതിരോധിക്കുന്ന അന്തർലീനമായ താപ സ്ഥിരത നൽകുന്നു. മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് കാഥോഡുകൾ കോബാൾട്ട് അധിഷ്ഠിത ബദലുകളേക്കാൾ ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ സ്ഥിരത നിലനിർത്തുന്നു, കൂടാതെ ഉയർന്ന റിയാക്ടീവ് കോബാൾട്ടിൻ്റെ അഭാവം എക്സോതെർമിക് വിഘടിപ്പിക്കാനുള്ള സാധ്യത കുറയ്ക്കുന്നു. UL സുരക്ഷാ മാനദണ്ഡങ്ങൾ അനുസരിച്ച് LMO ബാറ്ററികൾക്ക് തെർമൽ റൺവേ റിസ്ക് 58% കുറവാണെന്ന് ടെസ്റ്റിംഗ് കാണിക്കുന്നു.

എന്തുകൊണ്ട് LMO ബാറ്ററികൾക്ക് LFP ബാറ്ററികളേക്കാൾ ആയുസ്സ് കുറവാണ്?

ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിലേക്ക് മാംഗനീസ് ലയിക്കുന്നത് എൽഎംഒ ബാറ്ററികളിൽ പുരോഗമന ശേഷി മങ്ങുന്നു. Mn²⁺ അയോണുകൾ കാഥോഡ് ഘടനയിൽ നിന്ന് വേർപെടുത്തുന്നു, പ്രത്യേകിച്ച് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ, ഇലക്ട്രോഡ് പ്രവർത്തനത്തെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്ന ആനോഡിലേക്ക് മൈഗ്രേറ്റ് ചെയ്യുന്നു. LFP ബാറ്ററികൾ ഈ സംവിധാനം ഒഴിവാക്കുന്നു, കാരണം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് സമാന സാഹചര്യങ്ങളിൽ അലിഞ്ഞുചേരാത്ത കൂടുതൽ സ്ഥിരതയുള്ള ഘടന ഉണ്ടാക്കുന്നു.

തീവ്രമായ താപനിലയിൽ LMO ബാറ്ററികൾ ഉപയോഗിക്കാമോ?

60 ഡിഗ്രി (140 ഡിഗ്രി എഫ്) വരെ സുരക്ഷിതമായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന പല ബദലുകളേക്കാളും ഉയർന്ന താപനിലയെ എൽഎംഒ ബാറ്ററികൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നു. എല്ലാ ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളേയും പോലെ-തണുത്ത താപനിലയുടെ പ്രകടനം കൂടുതൽ വെല്ലുവിളി നിറഞ്ഞതാണെന്ന് തെളിയിക്കുന്നു, LMO യ്ക്ക് ശേഷി കുറയുകയും 0 ഡിഗ്രിയിൽ താഴെയുള്ള ആന്തരിക പ്രതിരോധം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. തണുത്ത താപനിലയിൽ നിന്നുള്ള വോൾട്ടേജ് ഡിപ്രഷൻ മറ്റ് രസതന്ത്രങ്ങളെ പോലെ തന്നെ എൽഎംഒയെ ബാധിക്കുന്നു.

ഇലക്‌ട്രിക് വാഹനങ്ങൾക്കുള്ള എൽഎഫ്‌പിയുമായി എൽഎംഒ എങ്ങനെ താരതമ്യം ചെയ്യുന്നു?

LMO ഉയർന്ന വോൾട്ടേജും (4.0V vs 3.2V) ത്വരിതപ്പെടുത്തലിനായി മെച്ചപ്പെട്ട പവർ ഡെലിവറി വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു, എന്നാൽ കുറഞ്ഞ സൈക്കിൾ ആയുസും അൽപ്പം കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയും. സ്റ്റാൻഡേർഡ്-റേഞ്ച് വാഹനങ്ങളുടെ ആയുർദൈർഘ്യത്തിലും ചെലവിലും LFP മികച്ചതാണ്, അതേസമയം LMO-NMC ബ്ലെൻഡുകൾ പെർഫോമൻസ്{5}}വേഗത്തിലുള്ള പവർ ഡെലിവറി ആവശ്യമുള്ള വാഹനങ്ങൾക്ക് നന്നായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു. മാർക്കറ്റ് ട്രെൻഡുകൾ കാണിക്കുന്നത് രണ്ട് കെമിസ്ട്രികളും വ്യത്യസ്ത വാഹന സെഗ്‌മെൻ്റുകൾക്കായി ഒന്നിച്ച് മറ്റൊന്നിനെ മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുന്നതിനുപകരം സഹവർത്തിത്വമാണ്.

Lithium Manganese Oxide

അമേരിക്കൻ കെമിക്കൽ സൊസൈറ്റി, ബാറ്ററി & സൂപ്പർക്യാപ്‌സ്, എനർജി സ്റ്റോറേജ് മെറ്റീരിയലുകൾ എന്നിവയുടെ ജേണലിലെ പിയർ റിവ്യൂ ചെയ്ത പ്രസിദ്ധീകരണങ്ങൾ ഉൾപ്പെടെ ഒന്നിലധികം ആധികാരിക ഉറവിടങ്ങളിൽ നിന്നാണ് ഈ ലേഖനത്തിനായുള്ള ഗവേഷണം. DataIntelo, Fortune Business Insights എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള വ്യവസായ വിശകലന സ്ഥാപനങ്ങളിൽ നിന്നാണ് മാർക്കറ്റ് ഡാറ്റ ലഭിച്ചത്. NEI കോർപ്പറേഷൻ, സിഗ്മ-Aldrich, CATL എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള ബാറ്ററി നിർമ്മാതാക്കളിൽ നിന്നുള്ള സാങ്കേതിക സവിശേഷതകൾ പരാമർശിച്ചിരിക്കുന്ന മെറ്റീരിയലുകൾ. സുരക്ഷാ പരിശോധനാ ഡാറ്റ UL സ്റ്റാൻഡേർഡുകളിൽ നിന്നും ദേശീയ ഹൈവേ ട്രാഫിക് സേഫ്റ്റി അഡ്മിനിസ്ട്രേഷനിൽ (NHTSA) നിന്നുള്ള സുരക്ഷാ വിലയിരുത്തലുകളിൽ നിന്നും വന്നതാണ്.