बैटरी और इलेक्ट्रोड सामग्री

बैटरी और इलेक्ट्रोड सामग्री वे ठोस पदार्थ हैं जो विद्युत रासायनिक ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं: मेजबान संरचनाएं जो उत्क्रमणीय रूप से आयनों को ग्रहण करती और छोड़ती हैं, इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ युग्मित होती हैं जो उनके बीच आयनों को ले जाती हैं जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ के माध्यम से प्रवाहित होते हैं।

Definition

बैटरी इलेक्ट्रोड सामग्री वे ठोस पदार्थ हैं जो उत्क्रमणीय विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं, आमतौर पर आयनों के अंतर्वेशन और निष्कासन द्वारा आवेश को संग्रहीत करते हैं; एक आयन-संचालन इलेक्ट्रोलाइट के साथ मिलकर वे वह सेल बनाते हैं जिसमें रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा के रूप में संग्रहीत और जारी किया जाता है।

Scope

यह विषय रिचार्जेबल बैटरी के सामग्री रसायन विज्ञान को शामिल करता है, जो लिथियम-आयन प्रणाली पर केंद्रित है: स्तरित, स्पिनेल और पॉलिएनियोनिक कैथोड मेजबान; कार्बन और मिश्र धातु एनोड; और तरल, बहुलक और ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स। यह बताता है कि एक इलेक्ट्रोड की क्रिस्टल संरचना और रेडॉक्स रसायन विज्ञान उसके वोल्टेज, क्षमता और दर को कैसे निर्धारित करता है, साइक्लिंग के साथ होने वाले संरचनात्मक परिवर्तन, और स्थिरता और जीवनकाल को नियंत्रित करने वाले इंटरफेस।

Core questions

• अंतर्वेशन इलेक्ट्रोड उत्क्रमणीय रूप से आवेश को कैसे संग्रहीत करते हैं?
• एक इलेक्ट्रोड सामग्री के वोल्टेज और क्षमता को क्या निर्धारित करता है?
• साइक्लिंग पर संरचनात्मक परिवर्तन बैटरी के जीवनकाल को कैसे सीमित करते हैं?
• तरल, बहुलक और ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स क्या भूमिका निभाते हैं?

Key concepts

• अंतर्वेशन मेजबान
• कैथोड और एनोड सामग्री
• सेल वोल्टेज और क्षमता
• इलेक्ट्रोलाइट्स
• ठोस-इलेक्ट्रोलाइट अंतरापृष्ठ
• चक्र जीवन और क्षरण

Key theories

अंतर्वेशन इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री

स्तरित और फ्रेमवर्क मेजबान उत्क्रमणीय रूप से लिथियम जैसे आयनों को रिक्त स्थलों में अंतर्वेशित करते हैं, जिसके साथ मेजबान की संक्रमण-धातु ऑक्सीकरण अवस्था में परिवर्तन होता है; रेडॉक्स क्षमता और स्थलों की संख्या सेल वोल्टेज और क्षमता को निर्धारित करती है।

इलेक्ट्रोलाइट्स और इंटरफेस

एक इलेक्ट्रोलाइट को कार्यशील आयन का संचालन करना चाहिए जबकि इलेक्ट्रॉनों को अवरुद्ध करना चाहिए और दोनों इलेक्ट्रोड के खिलाफ स्थिर रहना चाहिए; इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर प्रतिक्रियाएं निष्क्रिय परतें बनाती हैं जो सेल की रक्षा करती हैं लेकिन क्षमता का उपभोग करती हैं और चक्र जीवन को नियंत्रित करती हैं।

Mechanisms

निर्वहन पर, आयन एक इलेक्ट्रोड छोड़ते हैं, इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से प्रवास करते हैं, और दूसरे में अंतर्वेशित होते हैं जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ में यात्रा करते हैं और मेजबान संक्रमण धातुएं ऑक्सीकरण अवस्था बदलती हैं; चार्जिंग इस प्रक्रिया को उलट देती है, जिसमें मेजबान संरचना का विस्तार और संकुचन होता है और अंतरापृष्ठीय परतें बनती और विकसित होती हैं।

Clinical relevance

बैटरी और इलेक्ट्रोड सामग्री पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहनों और ग्रिड-स्केल भंडारण को शक्ति प्रदान करती है; कैथोड, एनोड और इलेक्ट्रोलाइट रसायन विज्ञान में प्रगति जो ऊर्जा घनत्व को बढ़ाती है, सुरक्षा में सुधार करती है और जीवनकाल को बढ़ाती है, विद्युतीकरण और नवीकरणीय ऊर्जा के एकीकरण के लिए केंद्रीय है।

History

1970 के दशक में व्हिटिंगम द्वारा अंतर्वेशन इलेक्ट्रोड की खोज और 1980 के दशक में गुडएनफ द्वारा स्तरित और पॉलिएनियोनिक ऑक्साइड कैथोड की पहचान, योशिनो के कार्बन एनोड के साथ मिलकर, 1991 में वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरी का उत्पादन किया। तब से निरंतर सामग्री रसायन विज्ञान ने ऊर्जा घनत्व में लगातार वृद्धि की है और ठोस-अवस्था और लिथियम से परे रसायन विज्ञान की खोज की है।

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino

Seminal works

• armand2008
• whittingham2004

Frequently asked questions

बैटरी में अंतर्वेशन का क्या अर्थ है?

अंतर्वेशन आयनों, जैसे लिथियम, का एक मेजबान क्रिस्टल संरचना के खाली स्थलों में उत्क्रमणीय अंतर्वेशन है, उसे नष्ट किए बिना। मेजबान इन आयनों को बैटरी के चार्ज और डिस्चार्ज होने पर स्वीकार और जारी करता है, जो कि कई रिचार्जेबल इलेक्ट्रोड आवेश को कैसे संग्रहीत करते हैं।

लिथियम-आयन बैटरी समय के साथ क्षमता क्यों खो देती हैं?

बार-बार साइक्लिंग से इलेक्ट्रोड मेजबानों की धीरे-धीरे संरचनात्मक थकान होती है, अंतरापृष्ठीय परतों में सक्रिय लिथियम का नुकसान होता है, और इलेक्ट्रोलाइट के साथ धीमी पार्श्व प्रतिक्रियाएं होती हैं। ये सेल द्वारा संग्रहीत किए जा सकने वाले आवेश की मात्रा को कम करने के लिए जमा होते हैं, जिससे उसका उपयोगी जीवन छोटा हो जाता है।