लिथियम आयन बैटरी क्या है?

1 लिथियम आयन बैटरी क्या है？

बैटरी विद्युत शक्ति का एक स्रोत है जिसमें विद्युत उपकरणों को शक्ति देने के लिए बाहरी कनेक्शन वाले एक या अधिक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल होते हैं लिथियम-आयन या ली-आयन बैटरी एक प्रकार की रिचार्जेबल बैटरी है जो ऊर्जा को संग्रहित करने के लिए लिथियम आयनों की प्रतिवर्ती कमी का उपयोग करती है और अपने उच्च ऊर्जा घनत्व के लिए प्रसिद्ध है।

2 लिथियम आयन बैटरियों की संरचना

आम तौर पर अधिकांश वाणिज्यिक ली-आयन बैटरियां सक्रिय सामग्री के रूप में इंटरकलेशन यौगिकों का उपयोग करती हैं। इनमें आम तौर पर सामग्रियों की कई परतें होती हैं जिन्हें इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाने के लिए एक विशिष्ट क्रम में व्यवस्थित किया जाता है जो बैटरी को ऊर्जा को स्टोर करने और जारी करने में सक्षम बनाता है - एनोड, कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट, विभाजक और वर्तमान कलेक्टर।

एनोड क्या है?

बैटरी के एक घटक के रूप में, एनोड बैटरी की क्षमता, प्रदर्शन और स्थायित्व में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। चार्ज करते समय, ग्रेफाइट एनोड लिथियम आयनों को स्वीकार करने और संग्रहीत करने के लिए जिम्मेदार होता है। जब बैटरी डिस्चार्ज हो जाती है, तो लिथियम आयन एनोड से कैथोड की ओर चले जाते हैं जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। आमतौर पर व्यावसायिक रूप से उपयोग किया जाने वाला सबसे आम एनोड ग्रेफाइट है, जो LiC6 की पूरी तरह से लिथिडेटेड अवस्था में 1339 C/g (372 mAh/g) की अधिकतम क्षमता से संबंधित है। लेकिन प्रौद्योगिकियों के विकास के साथ, लिथियम-आयन बैटरी के लिए ऊर्जा घनत्व में सुधार के लिए सिलिकॉन जैसी नई सामग्रियों पर शोध किया गया है।

कैथोड क्या है?

कैथोड वर्तमान चक्रों के दौरान सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए लिथियम आयनों को स्वीकार करने और छोड़ने का काम करता है। इसमें आमतौर पर एक चार्ज कलेक्टर (आमतौर पर एल्यूमीनियम से बना) पर लेपित एक स्तरित ऑक्साइड (जैसे लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड), एक पॉलियनियन (जैसे लिथियम आयरन फॉस्फेट) या एक स्पिनल (जैसे लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड) की एक स्तरित संरचना होती है। 

इलेक्ट्रोलाइट क्या है?

कार्बनिक विलायक में लिथियम नमक के रूप में, इलेक्ट्रोलाइट चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम आयनों को एनोड और कैथोड के बीच स्थानांतरित करने के लिए एक माध्यम के रूप में कार्य करता है।

विभाजक क्या है?

एक पतली झिल्ली या गैर-प्रवाहकीय सामग्री की परत के रूप में, विभाजक एनोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड) और कैथोड (सकारात्मक इलेक्ट्रोड) को छोटा होने से रोकने के लिए काम करता है, क्योंकि यह परत लिथियम आयनों के लिए पारगम्य है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों के लिए नहीं। यह चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रोड के बीच आयनों के स्थिर प्रवाह को भी सुनिश्चित कर सकता है। इसलिए, बैटरी एक स्थिर वोल्टेज बनाए रख सकती है और ओवरहीटिंग, दहन या विस्फोट के जोखिम को कम कर सकती है।

वर्तमान कलेक्टर क्या है?

करंट कलेक्टर को बैटरी के इलेक्ट्रोड द्वारा उत्पादित करंट को इकट्ठा करने और बाहरी सर्किट तक पहुंचाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो बैटरी के इष्टतम प्रदर्शन और दीर्घायु को सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है। और आमतौर पर यह एल्यूमीनियम या तांबे की पतली शीट से बनाया जाता है।

3 लिथियम आयन बैटरियों का विकास इतिहास

रिचार्जेबल ली-आयन बैटरियों पर शोध 1960 के दशक का है, सबसे शुरुआती उदाहरणों में से एक CuF2/Li बैटरी है जिसे NASA द्वारा विकसित किया गया है। 1965 और 1970 के दशक में तेल संकट ने दुनिया को प्रभावित किया, शोधकर्ताओं ने ऊर्जा के वैकल्पिक स्रोतों पर अपना ध्यान केंद्रित किया, इसलिए आधुनिक ली-आयन बैटरी के शुरुआती रूप का उत्पादन करने वाली सफलता लिथियम आयन बैटरी के हल्के वजन और उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण हुई थी। उसी समय, एक्सॉन के स्टेनली व्हिटिंगम ने पाया कि रिचार्जेबल बैटरी बनाने के लिए लिथियम आयनों को TiS2 जैसी सामग्रियों में डाला जा सकता है। 

इसलिए उन्होंने इस बैटरी का व्यवसायीकरण करने की कोशिश की लेकिन उच्च लागत और कोशिकाओं में धातु लिथियम की उपस्थिति के कारण असफल रहे। 1980 में एक नई सामग्री पाई गई जो उच्च वोल्टेज प्रदान करती थी और हवा में अधिक स्थिर थी, जिसे बाद में पहली वाणिज्यिक ली-आयन बैटरी में उपयोग किया गया था, हालांकि यह, अपने आप, ज्वलनशीलता की लगातार समस्या का समाधान नहीं करती थी। उसी वर्ष, रशीद याज़ामी ने लिथियम ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड (एनोड) का आविष्कार किया। और फिर 1991 में दुनिया की पहली रिचार्जेबल लिथियम-आयन बैटरी बाजार में आनी शुरू हुई। 2000 के दशक में, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लोकप्रिय होने के कारण लिथियम-आयन बैटरियों की मांग बढ़ गई, जिससे लिथियम आयन बैटरियां अधिक सुरक्षित और टिकाऊ हो गईं। 2010 के दशक में इलेक्ट्रिक वाहन पेश किए गए, जिसने लिथियम-आयन बैटरी के लिए एक नया बाजार तैयार किया 

सिलिकॉन एनोड और सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स जैसी नई विनिर्माण प्रक्रियाओं और सामग्रियों के विकास ने लिथियम-आयन बैटरी के प्रदर्शन और सुरक्षा में सुधार जारी रखा। आजकल, लिथियम-आयन बैटरियां हमारे दैनिक जीवन में आवश्यक हो गई हैं, इसलिए इन बैटरियों के प्रदर्शन, दक्षता और सुरक्षा में सुधार के लिए नई सामग्रियों और प्रौद्योगिकियों का अनुसंधान और विकास जारी है।

4.लिथियम आयन बैटरियों के प्रकार

लिथियम-आयन बैटरियां विभिन्न आकारों और आकारों में आती हैं, और उनमें से सभी एक समान नहीं बनाई जाती हैं। आम तौर पर लिथियम-आयन बैटरियां पांच प्रकार की होती हैं।

एल लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड

लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरियां लिथियम कार्बोनेट और कोबाल्ट से निर्मित होती हैं और इन्हें लिथियम कोबाल्ट या लिथियम-आयन कोबाल्ट बैटरी के रूप में भी जाना जाता है। उनके पास एक कोबाल्ट ऑक्साइड कैथोड और एक ग्रेफाइट कार्बन एनोड होता है, और लिथियम आयन डिस्चार्ज के दौरान एनोड से कैथोड में चले जाते हैं, बैटरी चार्ज होने पर प्रवाह उलट जाता है। जहां तक ​​इसके अनुप्रयोग की बात है, इनका उपयोग पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, इलेक्ट्रिक वाहनों और नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में किया जाता है क्योंकि उनकी उच्च विशिष्ट ऊर्जा, कम स्व-निर्वहन दर, उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज और विस्तृत तापमान सीमा होती है। लेकिन संबंधित सुरक्षा चिंताओं पर ध्यान दें उच्च तापमान पर थर्मल पलायन और अस्थिरता की संभावना।

एल लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड

लिथियम मैंगनीज ऑक्साइड (LiMn2O4) एक कैथोड सामग्री है जिसका उपयोग आमतौर पर लिथियम-आयन बैटरी में किया जाता है। इस प्रकार की बैटरी की तकनीक शुरू में 1980 के दशक में खोजी गई थी, 1983 में सामग्री अनुसंधान बुलेटिन में पहला प्रकाशन हुआ था। LiMn2O4 के फायदों में से एक यह है कि इसमें अच्छी थर्मल स्थिरता है, जिसका अर्थ है कि इसमें थर्मल रनवे का अनुभव होने की संभावना कम है, जो अन्य लिथियम-आयन बैटरी प्रकारों की तुलना में अधिक सुरक्षित भी है। इसके अतिरिक्त, मैंगनीज प्रचुर मात्रा में और व्यापक रूप से उपलब्ध है, जो इसे कैथोड सामग्रियों की तुलना में अधिक टिकाऊ विकल्प बनाता है जिनमें कोबाल्ट जैसे सीमित संसाधन होते हैं। परिणामस्वरूप, वे अक्सर चिकित्सा उपकरणों और उपकरणों, बिजली उपकरणों, इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिलों और अन्य अनुप्रयोगों में पाए जाते हैं। इसके फायदों के बावजूद, LiMn2O4 की साइकिलिंग स्थिरता LiCoO2 की तुलना में खराब है, जिसका अर्थ है कि इसे अधिक बार प्रतिस्थापन की आवश्यकता हो सकती है, इसलिए यह दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता है।

एल लिथियम आयरन फॉस्फेट (एलएफपी)

फॉस्फेट का उपयोग लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी में कैथोड के रूप में किया जाता है, जिसे अक्सर ली-फॉस्फेट बैटरी के रूप में जाना जाता है। उनके कम प्रतिरोध ने उनकी तापीय स्थिरता और सुरक्षा में सुधार किया है वे स्थायित्व और लंबे जीवन चक्र के लिए भी प्रसिद्ध हैं, जो उन्हें अन्य प्रकार की लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में सबसे अधिक लागत प्रभावी विकल्प बनाता है। नतीजतन, इन बैटरियों का उपयोग अक्सर इलेक्ट्रिक बाइक और अन्य अनुप्रयोगों में किया जाता है जिनके लिए लंबे जीवन चक्र और उच्च स्तर की सुरक्षा की आवश्यकता होती है लेकिन इसके नुकसान के कारण इसका तेजी से विकास करना मुश्किल हो जाता है। सबसे पहले, अन्य प्रकार की लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में, उनकी लागत अधिक होती है क्योंकि वे दुर्लभ और महंगे कच्चे माल का उपयोग करते हैं। इसके अलावा, लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरियों में कम ऑपरेटिंग वोल्टेज होता है, जिसका अर्थ है कि वे कुछ अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकते हैं जिनके लिए उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसका लंबा चार्जिंग समय इसे उन अनुप्रयोगों में नुकसानदेह बनाता है जिन्हें त्वरित रिचार्ज की आवश्यकता होती है।

एल लिथियम निकेल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (एनएमसी)

लिथियम निकेल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरी, जिन्हें अक्सर एनएमसी बैटरी के रूप में जाना जाता है, विभिन्न प्रकार की सामग्रियों से निर्मित होती हैं जो लिथियम-आयन बैटरी में सार्वभौमिक होती हैं। निकल, मैंगनीज और कोबाल्ट के मिश्रण से निर्मित कैथोड शामिल है इसकी उच्च ऊर्जा घनत्व, अच्छी साइक्लिंग प्रदर्शन और लंबी उम्र ने इसे इलेक्ट्रिक वाहनों, ग्रिड स्टोरेज सिस्टम और अन्य उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों में पहली पसंद बना दिया है, जिसने इलेक्ट्रिक वाहनों और नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों की बढ़ती लोकप्रियता में योगदान दिया है। क्षमता बढ़ाने के लिए, नए इलेक्ट्रोलाइट्स और एडिटिव्स का उपयोग किया जाता है ताकि इसे 4.4V/सेल और इससे अधिक तक चार्ज किया जा सके। एनएमसी-मिश्रित ली-आयन की ओर रुझान है क्योंकि प्रणाली लागत प्रभावी है और अच्छा प्रदर्शन प्रदान करती है। निकेल, मैंगनीज और कोबाल्ट तीन सक्रिय सामग्रियां हैं जिन्हें ऑटोमोटिव और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों (ईईएस) अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के अनुरूप आसानी से जोड़ा जा सकता है जिनके लिए बार-बार साइकिल चलाने की आवश्यकता होती है।

 जिससे हम देख सकते हैं कि एनएमसी परिवार अधिक विविध होता जा रहा है

हालाँकि, थर्मल रनवे, आग के खतरों और पर्यावरणीय चिंताओं के दुष्प्रभाव इसके आगे के विकास में बाधा बन सकते हैं।

एल लिथियम टाइटेनेट

लिथियम टाइटेनेट, जिसे अक्सर ली-टाइटेनेट के रूप में जाना जाता है, एक प्रकार की बैटरी है जिसके उपयोग की संख्या बढ़ रही है। अपनी बेहतर नैनोटेक्नोलॉजी के कारण, यह स्थिर वोल्टेज बनाए रखते हुए तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज करने में सक्षम है, जो इसे इलेक्ट्रिक वाहनों, वाणिज्यिक और औद्योगिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों और ग्रिड-स्तरीय भंडारण जैसे उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है। अपनी सुरक्षा और विश्वसनीयता के साथ, इन बैटरियों का उपयोग सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के साथ-साथ पवन और सौर ऊर्जा के भंडारण और स्मार्ट ग्रिड के निर्माण के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, बैटरी स्पेस के अनुसार, इन बैटरियों को पावर सिस्टम सिस्टम-क्रिटिकल बैकअप में नियोजित किया जा सकता है फिर भी, लिथियम टाइटेनेट बैटरियां पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में अधिक महंगी होती हैं, क्योंकि उनके उत्पादन के लिए आवश्यक जटिल निर्माण प्रक्रिया होती है।

5. लिथियम आयन बैटरियों के विकास के रुझान

नवीकरणीय ऊर्जा प्रतिष्ठानों की वैश्विक वृद्धि ने रुक-रुक कर ऊर्जा उत्पादन में वृद्धि की है, जिससे असंतुलित ग्रिड का निर्माण हुआ है। इससे बैटरियों की मांग बढ़ गई है। शून्य कार्बन उत्सर्जन पर ध्यान केंद्रित करने और बिजली उत्पादन के लिए जीवाश्म ईंधन, अर्थात् कोयले से दूर जाने की आवश्यकता ने अधिक सरकारों को सौर और पवन ऊर्जा प्रतिष्ठानों को प्रोत्साहित करने के लिए प्रेरित किया है। ये इंस्टॉलेशन स्वयं को बैटरी भंडारण प्रणालियों के लिए उधार देते हैं जो उत्पन्न अतिरिक्त बिजली को संग्रहीत करते हैं। इसलिए, ली-आयन बैटरी स्थापनाओं को प्रोत्साहित करने के लिए सरकारी प्रोत्साहन भी लिथियम आयन बैटरी के विकास को प्रेरित करते हैं उदाहरण के लिए, वैश्विक एनएमसी लिथियम-आयन बैटरी बाजार का आकार 2022 में यूएस $ मिलियन से बढ़कर 2029 में यूएस $ मिलियन तक पहुंचने का अनुमान है; इसके 2023 से % की सीएजीआर से बढ़ने की उम्मीद है 2029  और भारी भार की मांग करने वाले अनुप्रयोगों की बढ़ती जरूरतों के कारण पूर्वानुमान अवधि (2022-2030) के दौरान 3000-10000 की लिथियम आयन बैटरी को सबसे तेजी से बढ़ने वाला खंड बनाने का अनुमान है।

6 लिथियम आयन बैटरियों का निवेश विश्लेषण

लिथियम आयन बैटरी बाजार उद्योग के 2022 में 51.16 बिलियन अमेरिकी डॉलर से बढ़कर 2030 तक 118.15 बिलियन अमेरिकी डॉलर तक बढ़ने का अनुमान है, जो पूर्वानुमानित अवधि (2022-2030) के दौरान 4.72% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर प्रदर्शित करता है, जो कई कारकों पर निर्भर करता है।

एल अंतिम-उपयोगकर्ता विश्लेषण

उपयोगिता क्षेत्र की स्थापनाएँ बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों (बीईएसएस) के लिए प्रमुख चालक हैं। इस खंड के 11.5% की सीएजीआर पर 2021 में 2.25 बिलियन डॉलर से बढ़कर 2030 में 5.99 बिलियन डॉलर होने की उम्मीद है।  ली-आयन बैटरियां अपने कम विकास आधार के कारण 34.4% सीएजीआर से अधिक दिखाती हैं। आवासीय और वाणिज्यिक ऊर्जा भंडारण खंड 2030 में 5.51 बिलियन डॉलर की बड़ी बाजार क्षमता वाले अन्य क्षेत्र हैं, जो 2021 में 1.68 बिलियन डॉलर थे। अगले दो दशकों में शुद्ध-शून्य प्रतिज्ञा करने वाली कंपनियों के साथ, औद्योगिक क्षेत्र शून्य कार्बन उत्सर्जन की दिशा में आगे बढ़ रहा है। दूरसंचार और डेटा सेंटर कंपनियां नवीकरणीय ऊर्जा ऊर्जा स्रोतों पर अधिक ध्यान देने के साथ कार्बन उत्सर्जन को कम करने में सबसे आगे हैं ये सभी तेजी से विकास को बढ़ावा देंगे  लिथियम आयन बैटरियां विश्वसनीय बैकअप और ग्रिड संतुलन सुनिश्चित करने के तरीके ढूंढती हैं।

एल उत्पाद प्रकार विश्लेषण

कोबाल्ट की ऊंची कीमत के कारण, कोबाल्ट-मुक्त बैटरी लिथियम-आयन बैटरी के विकास के रुझानों में से एक है। उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व के साथ उच्च वोल्टेज LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) भविष्य में सबसे आशाजनक सह-मुक्त कैथोड सामग्रियों में से एक है। इसके अलावा, प्रायोगिक परिणामों ने साबित कर दिया कि सेमी-सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने से एलएनएमओ बैटरी की साइकलिंग और सी-रेट प्रदर्शन में सुधार होता है। यह प्रस्तावित किया जा सकता है कि आयनिक COF कूलम्ब इंटरैक्शन के माध्यम से Mn3+/Mn2+ और Ni2+ को दृढ़ता से अवशोषित करने में सक्षम है, जिससे एनोड में उनके विनाशकारी प्रवास को रोका जा सकता है। इसलिए, यह कार्य एलएनएमओ कैथोड सामग्री के व्यावसायीकरण के लिए फायदेमंद होगा।

एल क्षेत्रीय विश्लेषण

उपयोगिताओं और उद्योगों द्वारा संचालित एशिया-प्रशांत 2030 तक सबसे बड़ा स्थिर लिथियम-आयन बैटरी बाजार होगा। यह 2030 में 7.07 बिलियन डॉलर के बाजार के साथ उत्तरी अमेरिका और यूरोप से आगे निकल जाएगा, जो 2021 में 1.24 बिलियन डॉलर से बढ़कर 21.3% सीएजीआर पर होगा। अगले दो दशकों में अपनी अर्थव्यवस्थाओं और ग्रिड को डीकार्बोनाइज करने के लक्ष्य के कारण उत्तरी अमेरिका और यूरोप अगले सबसे बड़े बाजार होंगे। अपने छोटे आकार और कम आधार के कारण LATAM 21.4% की CAGR पर उच्चतम विकास दर देखेगा।

7 उच्च गुणवत्ता वाली लिथियम आयन बैटरियों के लिए विचार करने योग्य बातें

ऑप्टिकल सोलर इन्वर्टर खरीदते समय न केवल कीमत और गुणवत्ता पर विचार किया जाना चाहिए, बल्कि अन्य कारकों को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।

एल ऊर्जा घनत्व

ऊर्जा घनत्व प्रति इकाई आयतन में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा है। कम वजन और आकार के साथ उच्च ऊर्जा घनत्व चार्जिंग चक्रों के बीच अधिक व्यापक है।

एल  सुरक्षा

सुरक्षा लिथियम-आयन बैटरियों का एक और महत्वपूर्ण पहलू है क्योंकि चार्जिंग या डिस्चार्जिंग के दौरान विस्फोट और आग लग सकती है, इसलिए तापमान सेंसर और अवरोधक पदार्थों जैसे बेहतर सुरक्षा तंत्र वाली बैटरियों का चयन करना आवश्यक है।

एल प्रकार

लिथियम-आयन बैटरी उद्योग में नवीनतम रुझानों में से एक सॉलिड-स्टेट बैटरी का विकास है, जो उच्च ऊर्जा घनत्व और लंबे जीवन चक्र जैसे कई लाभ प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक कारों में सॉलिड-स्टेट बैटरियों के उपयोग से उनकी रेंज क्षमता और सुरक्षा में उल्लेखनीय वृद्धि होगी।

एल चार्जिंग की दर

चार्जिंग की दर इस बात पर निर्भर करती है कि बैटरी कितनी तेजी से सुरक्षित रूप से चार्ज होती है। कभी-कभी बैटरी को उपयोग में लाने से पहले चार्ज होने में काफी समय लगता है।

एल जीवनकाल

 कोई भी बैटरी पूरी जिंदगी नहीं चलती लेकिन उसकी समाप्ति तिथि होती है। खरीदारी करने से पहले समाप्ति तिथि जांच लें। लिथियम आयन बैटरियां अपने रसायन विज्ञान के कारण स्वाभाविक रूप से लंबे समय तक चलती हैं, लेकिन प्रत्येक बैटरी प्रकार, विशिष्टताओं और उनके निर्माण के तरीके के आधार पर एक-दूसरे से भिन्न होती है। उच्च गुणवत्ता वाली बैटरियाँ अधिक समय तक चलेंगी क्योंकि वे अंदर से अच्छी सामग्री से बनी होती हैं।