لتیم آئن بیٹری کی ناکامی کے تجزیہ اور فالٹ میکانزم کا جائزہ

著者：Iflowpower – Dodavatel přenosných elektráren

1SEI فلم کی پیداوار اور نشوونما تجارتی لتیم آئن بیٹری سسٹم میں ہے، اور بیٹری کی صلاحیت میں کمی کا حصہ گریفائٹ اور نامیاتی الیکٹرولائٹ کے درمیان ضمنی اثر سے ہے، اور گریفائٹ آسانی سے لتیم آئن نامیاتی الیکٹرولائٹ کے ساتھ الیکٹرو کیمیکل طور پر رد عمل ظاہر کرتا ہے، خاص طور پر سالوینٹ ونائل کاربونیٹ (EC) اور dimethyl کاربونیٹ ہے۔ جب لتیم آئن بیٹری پہلی چارجنگ (مرحلے) کے دوران ہوتی ہے، منفی الیکٹرولائٹ اور لتیم آئن الیکٹرولائٹ واقع ہوتی ہے اور لتیم آئن الیکٹرولائٹ واقع ہوتی ہے اور گریفائٹ کی سطح میں ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) فلم کی ایک تہہ بنتی ہے، جو ناقابل واپسی صلاحیت کا ایک حصہ بن سکتی ہے۔ SEI فلم ری ایکٹو مادہ کی حفاظت کرتے ہوئے آئنوں کی منتقلی کو یقینی بناتی ہے، اور فعال مادہ کو روکنے کے دوران بیٹری کے فعال مواد کے فعال مادی آپریشن کے استحکام کو روکتی ہے۔

تاہم، بیٹری کے بعد کے چکر کے دوران، چونکہ الیکٹروڈ مواد کے مسلسل پھیلاؤ اور سکڑاؤ کی وجہ سے ایک نئی ایکٹیو سائٹ سامنے آتی ہے، اس لیے یہ مسلسل نقصان کے ناکامی کے طریقہ کار کا سبب بن سکتا ہے، یعنی بیٹری کی صلاحیت مسلسل کم ہوتی رہتی ہے۔ اس ناکامی کے طریقہ کار کو الیکٹروڈ کی سطح کے الیکٹرو کیمیکل کمی کے عمل سے منسوب کیا جا سکتا ہے، جس کا اظہار SEI فلم کی موٹائی میں مسلسل اضافہ کے طور پر کیا جاتا ہے۔ لہذا، SEI فلم کیمیائی اجزاء اور مورفولوجی کا مطالعہ زیادہ گہرائی سے ہوسکتا ہے، لتیم آئن بیٹری کی صلاحیت اور طاقت میں کمی کا سبب بن سکتا ہے.

SEI فلم کی تشکیل کا عمل حالیہ برسوں میں، محققین نے چھوٹے بیٹری سسٹمز کو ختم کرنے کے تجربات کے ذریعے SEI جھلیوں کی نوعیت کا مطالعہ کرنے کی کوشش کی ہے۔ بیٹری کو جدا کرنے کا عمل ایک ایروسولک انرٹ گیس گلوو باکس میں کیا جاتا ہے ( <5 ppm). After the battery is disassembled, it can pass a nuclear magnetic resonance technology (NMR), a flight time secondary ion mass spectrometry (TEMS), a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), an atomic force microscope (AFM), X-ray absorption spectrum (XAF), and Infrared (FTIR) and Raman Spectroscopy and other test methods study the thickness, morphology, composition, growth process and mechanism of SEI membranes.

اگرچہ SEI فلم کی خصوصیت کے لیے بہت سے ٹیسٹ کے طریقے استعمال کیے گئے ہیں، لیکن بیٹری میں اگنے والی SEI فلم کے اصل ماڈل کو زیادہ جدید اور براہ راست طریقوں کی خصوصیت کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ مشکل یہ ہے کہ SEI فلم متعدد مادوں جیسے نامیاتی اور غیر نامیاتی سے پیچیدہ ہے، اور جزو پیچیدہ ہے، اور یہ بہت نازک اور ماحول کو جواب دینے میں آسان ہے۔ اگر یہ غلط ہے تو، SEI فلم کی صحیح معلومات حاصل کرنا مشکل ہے۔

SEI فلم کا گاڑھا ہونا ایک عام الیکٹرو کیمیکل پرجیوی ضمنی رد عمل ہے، جس کا رد عمل کینیٹکس، بڑے پیمانے پر منتقلی کے عمل، اور بیٹری کی ساختی جیومیٹری کے ساتھ گہرا تعلق ہے۔ تاہم، SEI فلم کی تبدیلی براہِ راست تباہ کن ناکامی کا باعث نہیں بنتی، اور اس کی سڑن صرف بیٹری کے اندرونی درجہ حرارت میں اضافے کا سبب بنے گی، جس کے نتیجے میں سڑنے والی گیس پیدا ہو سکتی ہے، اور شدید گرمی تھرمل کو قابو سے باہر کر دے گی۔ FMMEA میں، SEI فلم کی تشکیل اور بڑھوتری کو نقصان کا طریقہ کار سمجھا جاتا ہے، جو بیٹری کی صلاحیت کو کم کرنے اور اندرونی رکاوٹ کو بڑھانے کا سبب بن سکتا ہے۔

2 لیتھیم ڈینڈرائٹس پیدا ہوتے ہیں، اگر بیٹری کو اس کے ریٹیڈ کرنٹ سے زیادہ موجودہ کثافت پر تیزی سے چارج کیا جاتا ہے، اور منفی سطح آسانی سے دھاتی لیتھیم ڈینڈرائڈ بنانے کے لیے بن جاتی ہے۔ یہ ڈینڈریٹک کرسٹل ڈایافرام کو چھیدنا آسان ہے، جس کی وجہ سے بیٹری کے اندر شارٹ سرکٹ ہوتا ہے۔ اس صورت حال کے نتیجے میں بیٹری کی تباہی ناکام ہو سکتی ہے، اور بیٹری کے شارٹ سرکٹ ہونے سے پہلے اس کا پتہ لگانا مشکل ہے۔

حالیہ برسوں میں، محققین نے لتیم ڈینڈرائڈ کی ترقی کی شرح اور لتیم ڈینڈرائٹس کی شرح نمو اور لتیم ڈینڈرائٹس کی لتیم آئن بازی کی صلاحیت کے درمیان تعلق کا مطالعہ کیا ہے۔ تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ بیٹری کے مکمل نظام میں لیتھیم ڈیلیگرا کی نشوونما کا پتہ لگانا یا مشاہدہ کرنا مشکل ہے، اور موجودہ ماڈل صرف ایک نظام کے تحت لیتھیم ڈینڈرائٹس کی نشوونما تک محدود ہے۔ تجرباتی نظام میں، کوارٹج شیشے کی طرف سے بنائی گئی شفاف بیٹری لیتھیم ڈینڈرائٹس کے بڑھنے کے عمل کا مشاہدہ کر سکتی ہے۔

میرے ملک میں سوزو نانو ٹیکنالوجی اور نینو بایونک ریسرچ انسٹی ٹیوٹ میں ژانگ یوگونو کے محقق نے اسکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپ (SEM) ٹیکنالوجی میں لیتھیم ڈینڈرائٹس (جیسا کہ ویڈیو میں دکھایا گیا ہے) ٹیکنالوجی کی تشکیل کے عمل کا انکشاف کیا ہے۔ تاہم، تجارتی لتیم آئن بیٹری کے نظام میں، لتیم شاخوں کا اصل مشاہدہ حاصل کرنا مشکل ہے۔ عالمگیر صورت حال یہ ہے کہ بیٹری کو ختم کرکے اس کے لتیم برانچ کرسٹل کا مشاہدہ کیا جائے۔

تاہم، کیونکہ لیتھیم شاخ کی سرگرمی بہت زیادہ ہے، اس کی نسل کی تفصیلات کا تجزیہ کرنا مشکل ہے. Zier et al. ڈینڈرائٹس کی پوزیشن کا تعین کرنے کے لیے الیکٹروڈ کے ڈھانچے کو رنگ کر کے الیکٹروڈ الیکٹران مائیکروگرام کھینچنے کی تجویز ہے۔

اگر بیٹری کو ختم کرنے سے پہلے، لیتھیم برانچ کرسٹل کی نسل اندرونی شارٹ سرکٹ کا سبب بنی ہے، تو ڈینڈریٹک کرسٹل کے اس حصے کا مشاہدہ کرنا مشکل ہو سکتا ہے کیونکہ اندرونی شارٹ سرکٹ کا بڑا پلس کرنٹ لیتھیم برانچ کرسٹلائزیشن کا سبب بن سکتا ہے۔ ڈایافرام کی مقامی مائکروپورس بندش سے پتہ چلتا ہے کہ لتیم ڈینڈرائٹس کی ممکنہ نشوونما کی پوزیشن، لیکن یہ حصے جزوی طور پر زیادہ گرم ہو سکتے ہیں یا دھاتی ناپاک آلودگیوں کی وجہ سے ہو سکتے ہیں۔ لہذا، لتیم شاخوں کے ظہور کی پیشن گوئی کرنے کے لئے ناکامی کے ماڈل کی مزید ترقی، اور ایک ہی وقت میں، یہ مختلف کام کے حالات کے تحت زندگی اور ناکامی کے تعلقات کا مطالعہ کرنے کے لئے بہت معنی خیز ہے.

3 فعال مادی ذرات کا پولائزیشن تیز رفتار چارج اور خارج ہونے والے مادہ یا الیکٹروڈ فعال مادہ کی تقسیم میں ناہموار ہے، فعال مواد پاؤڈر یا ٹکڑے ٹکڑے ہونے کا شکار ہے۔ عام طور پر، جیسے جیسے بیٹری کو بڑھایا جاتا ہے، مائکرون سائز کے ذرات، آئن کا اندرونی دباؤ ٹوٹ سکتا ہے۔ ابتدائی شگاف کو فعال مادی ذرات کی سطح پر SEM کے ذریعے دیکھا جا سکتا ہے۔

لتیم آئنوں کے بار بار سرایت کے طور پر، دراڑیں مسلسل بڑھ رہی ہیں، جس کے نتیجے میں ذرات ٹوٹ رہے ہیں۔ کریکنگ ذرات نئی فعال سطح کو بے نقاب کریں گے، اور SEI فلم نئی سطح پر پیدا ہوتی ہے۔ لتیم آئن ایمبیڈنگ تناؤ کی تحقیق اور تجزیہ کے ذریعے، بہتر ڈیزائن بیٹری الیکٹروڈ مواد۔

کرسٹینسن اور نیومین وغیرہ۔ ابتدائی لتیم آئن ایمبیڈڈ سٹریس ماڈل تیار کیا، اور دیگر محققین نے مختلف مواد، اور مواد، اور مواد کی ہندسی مورفولوجی کو وسعت دی ہے۔ آئن ایمبیڈڈ اسٹریس ماڈل محققین کو زیادہ فعال مادوں کو ڈیزائن کرنے میں سہولت فراہم کرے گا۔

تاہم، فعال مادی ذرات کی صلاحیت اور طاقت کے نقصان کا مزید مطالعہ کیا جاتا ہے، اور لتیم آئن بیٹریوں کی زندگی کی پیشن گوئی کرنے کے لیے ذرہ کے ٹکڑے کرنے کے ناکامی کے طریقہ کار کی جامع پیش گوئی کی جاتی ہے۔ الیکٹروڈ مواد کے حجم میں تبدیلی بھی فعال مادہ کو موجودہ کلیکٹر کے ساتھ اتارنے کا سبب بن سکتی ہے، تاکہ فعال مادہ کا یہ حصہ دستیاب نہ ہو۔ فعال مواد کا انکونڈ لتیم عمل بیٹری کے اندر آئن کی منتقلی اور بیرونی الیکٹران کی منتقلی کے ساتھ ہوتا ہے۔

چونکہ الیکٹرولائٹ الیکٹرانک طور پر موصل ہے، صرف آئنوں کو صرف فراہم کیا جا سکتا ہے. کنڈکٹیو ایجنٹ کے ذریعہ الیکٹروڈ کی سطح کے ذریعہ تعمیر کردہ ترسیلی نیٹ ورک کے لئے الیکٹران کا طرز عمل اہم ہے۔ الیکٹروڈ مواد کے حجم میں متواتر تبدیلیوں کے نتیجے میں جزوی طور پر فعال مادہ کنڈکٹیو نیٹ ورک سے الگ تھلگ نظام تشکیل دے سکتا ہے، جو دستیاب نہیں ہے۔

الیکٹروڈ کے ڈھانچے میں اس تبدیلی کو کسی طریقہ کی پیمائش کے ذریعے ماپا جا سکتا ہے جیسے کہ پوروسیٹی یا کسی مخصوص سطح کے علاقے۔ اس عمل کو فوکل آئن بیم (FIB) کا استعمال کرتے ہوئے الیکٹروڈ کی سطح کو گھسائی کر کے بھی مل سکتا ہے، SEM کا استعمال کرتے ہوئے مورفولوجیکل مشاہدے یا ایکس رے ٹوموگرافی ٹیسٹ کے ذریعے SEM کا استعمال کیا جا سکتا ہے۔ سی منفی الیکٹروڈ مواد کو صاف کیا جاتا ہے اور کوندکٹو نیٹ ورک سے منقطع کیا جاتا ہے۔

مثبت الیکٹروڈ فعال مادہ کا مثبت الیکٹروڈ فعال مادہ زیادہ تر ٹرانزیشن میٹل آکسائڈ ہے، جیسے لتیم کوبالٹیٹ (LiMn2O4)، یا پولینیٹ لتیم نمک، لتیم آئرن فاسفیٹ (LifePo4)۔ زیادہ تر مثبت فعال مادہ سرایت شدہ رد عمل میکانزم ہیں، اور ان کے تناؤ کے طریقہ کار اور کساد بازاری کے طریقہ کار زیادہ تر دانے داروں کے گرنے اور مندرجہ بالا فعال مادوں کی تفصیل کی وجہ سے ہیں۔ SEI فلم بھی مثبت الیکٹروڈ کی سطح سے بنتی اور متاثر ہوتی ہے، لیکن مثبت الیکٹروڈ کی سطح میں زیادہ صلاحیت ہوتی ہے، اور اس کی SEI فلم بہت پتلی اور مستحکم ہوتی ہے۔

اس کے علاوہ، مثبت الیکٹروڈ مواد اندرونی حرارت کی پیداوار کے اثر و رسوخ کے لیے بھی حساس ہے، خاص طور پر جب بیٹری اوور چیئرڈ ہو۔ چارج کے وقت، الیکٹرولائٹ زیادہ دباؤ میں غیر مستحکم ہو جاتا ہے، جس کے نتیجے میں الیکٹرولائٹ اور مثبت الیکٹروڈ فعال مادہ بن جاتا ہے، جس کی وجہ سے بیٹری کا اندرونی درجہ حرارت مسلسل بڑھتا رہتا ہے، اور مثبت الیکٹروڈ مواد آکسیجن خارج کرتا ہے۔ مزید اپ گریڈ، جس کے نتیجے میں تھرمل کنٹرول سے باہر ہو جائے گا، یہ بیٹری کی تباہی کا سبب بنے گا۔

پری چارج کے دوران پائے جانے والے مثبت الیکٹروڈ مواد کا تجزیہ گیس کرومیٹوگرافی کے ذریعے کیا جا سکتا ہے تاکہ ایکس رے اسپیکٹرم کا پتہ لگانے والے الیکٹروڈ مادی ڈھانچے کے ذریعے الیکٹروڈ مواد کی ساخت کا تجزیہ کیا جا سکے۔ تاہم، فی الحال کوئی ناکامی کا ماڈل موجود نہیں ہے جو زیادہ چارج شدہ گیس کے بہاؤ سے بیٹری کے اندر کا اندازہ لگا سکے۔ خلاصہ: لیتھیم آئن بیٹری مثبت اور منفی الیکٹروڈ مواد کی ناکامی میکانزم موڈ SEI جھلی کے گلنے، لتیم ڈیلیگیٹڈ کرسٹل یا کاپرپرائن کرسٹل کی پیداوار، فعال مادے کے ذرات کا پاؤڈر اور گرمی کی سڑن گیس وغیرہ کے لیے اہم ہے۔

ان میں سے، لیتھیم ڈیریویٹوز یا تانبے کی ڈیلیگتھس کی نسل، مادی گلنے والی گیس آسانی سے سیل کے کنٹرول سے باہر تھرمل کی وجہ سے ہوتی ہے، بیٹری کے دہن کا باعث بنتی ہے، اور یہاں تک کہ پھٹ جاتی ہے۔ لیتھیم آئن بیٹریوں کی ناکامی کا تجزیہ دھندلا موڈ کے ذریعے کیا جاتا ہے، اور میکانزم کو بیٹری کے مواد، ساخت کو بہتر بنانے اور بیٹری کی ماحولیاتی موافقت، وشوسنییتا اور حفاظت کو بہتر بنا کر بہتر بنایا جاتا ہے۔ لہذا، بیٹری کی پیداوار اور عملی اطلاق کے لیے بہت اہم رہنمائی کی اہمیت ہے۔