لیتھیم بیٹریوں کے لیے سلیکون پر مبنی کیتھوڈ مواد کے استعمال کی مشکلات

2025-03-26

فی الحال، نئی توانائی کی گاڑیاں کے لیتیھیم آئن بیٹریوں کی توانائی کی کثافت کو ابھی بہتر بنانے کی ضرورت ہے، اور روایتی ایندھن کی گاڑیوں کی جگہ لینے کے لیے ابھی طویل راستہ طے کرنا باقی ہے۔ طاقت کی لیتیھیم آئن بیٹری کی توانائی کی کثافت کو بہتر بنانے کا بنیادی طریقہ نئے اعلی صلاحیت والے کیتھوڈ اور کیتھوڈ مادے کا استعمال کرنا ہے۔ سلیکون کی نظریاتی مخصوص صلاحیت 4200mAh/g تک پہنچتی ہے، جو کہ گرافائٹ کیتھوڈ مادے کی 10 گنا سے زیادہ ہے۔ لہذا، اسے گرافائٹ کے متبادل کے طور پر لیتیھیم بیٹری کا اگلی نسل کا کیتھوڈ مادہ سمجھا جاتا ہے۔

سلیکون زمین کے کرسٹ میں دوسرا سب سے وافر عنصر ہے۔ نظریاتی طور پر، ایک سلیکون ایٹم 4.4 لیتیھیم ایٹمز کے ساتھ مرکب بناتا ہے تاکہ Li4.4Si بن سکے، لہذا سلیکون کی بہت ہی اعلی نظریاتی مخصوص صلاحیت ہے۔ اس کے علاوہ، سلیکون کی لیتیھیم کے اندرونی ممکنہ مقدار گرافائٹ کیتھوڈ سے زیادہ ہے، جو لیتیھیم ڈینڈرائٹس کی تشکیل سے مؤثر طریقے سے بچنے میں مدد کرتی ہے۔ تاہم، سلیکون چارجنگ اور ڈسچارجنگ کے عمل میں بڑے حجم کی تبدیلیوں کی وجہ سے ایک سلسلہ وار ضمنی رد عمل پیدا کرنے کے لیے حساس ہوتا ہے:

(1) ایک سے زیادہ حجم کی توسیع اور سنکچن، جس کے نتیجے میں سلیکون کے ذرات کے اندر تناؤ جمع ہو جاتا ہے، اور آخر کار سلیکون مادّی پاؤڈر بن جاتا ہے، جس کے نتیجے میں پولر پلیٹ میں سلیکون کے ذرات کے درمیان برقی رابطہ، سلیکون ذرات اور conductive ایجنٹ کے درمیان، ناقص سائیکلنگ کی کارکردگی؛

(2) سلیکون ذرات کی سطح پر SEI فلم پھٹ گئی اور دوبارہ پیدا ہوئی، جس کے نتیجے میں بڑی مقدار میں لیتھیئم کا استعمال ہوا، جس میں ابتدائی اثر کم اور گردش خراب تھی۔

لہذا، اگر سلیکون پر مبنی اینوڈ مواد کو مقبولیت اور استعمال میں لانا ہے تو ان میں ترمیم کرنا ضروری ہے۔

سلیکون منفی مرکب لیتھیئم ذخیرہ کرنے کا طریقہ، مرکب/عدم مرکب کے عمل کی وجہ سے زبردست توسیع/معاہدہ ہوتا ہے، مرکب کے ردعمل سے سلیکون کو اعلیٰ مخصوص صلاحیت ملتی ہے، لیکن یہ حجم میں بڑی تبدیلی کا باعث بھی بنتا ہے، اسی طرح Li15Si4 مرکب کی نسبتاً حجم توسیع تقریباً 300% ہے۔

پورے الیکٹروڈ کے لئے، ہر ذرے کی توسیع اور معاہدہ اردگرد کے ذرات کو "دبانے" کا باعث بنے گی، جس کی وجہ سے الیکٹروڈ مواد تناؤ کی وجہ سے الیکٹروڈ سے اڑ جائے گا، جو بیٹری کی صلاحیت میں تیزی سے کمی اور چکلی زندگی میں کمی کا باعث بنتا ہے۔ ایک سنگل سلیکون پاؤڈر ذرہ جو لیتھیئم کے عمل میں مدغم ہوتا ہے، اس کے باہر داخل ہونے والی لیتھیئم شکل غیر کرسٹالیی LixSi کی حجم توسیع ہوتی ہے، اندرونی تہہ میں اگر لیتھیئم مدغم نہ ہو تو وہ پھولتا نہیں، جس کی وجہ سے ہر سلیکون ذرہ میں زبردست تناؤ پیدا ہوتا ہے جو سنگل سلیکون ذرہ کے پھٹے جانے کا باعث بنتا ہے، اور اس عمل میں مسلسل نئی سطح پیدا ہوتی ہے، جس کی وجہ سے ٹھوس الیکٹرولائٹ پرت (SEI فلم) مسلسل بنتی ہے، جو لیتھیئم آئن کو مسلسل خالی کرتی ہے، بیٹری کی مجموعی صلاحیت مسلسل کم ہوتی رہتی ہے۔

فی الحال، سلیکون اینوڈ ترمیم کا اطلاق بنیادی طور پر کنڈیکٹیو میٹریل کمپوزٹ، نینو/غیر پورس، نئی بائنڈر ڈیولپمنٹ، انٹرفیس اسٹیبلٹی آپٹیمائزیشن اور پری لیتھیم ٹیکنالوجی ریسرچ پر مرکوز ہے۔

1. کوندکٹو مواد مرکب

سلکان انوڈ کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کو کوٹنگ، مکسنگ یا اچھے کنڈکٹیو نیٹ ورک ہیٹروجنکشن کی تعمیر کے ذریعے بہتر بنایا جا سکتا ہے تاکہ ڈیم بیڈڈ لیتھیم آئن کی نقل مکانی کی حرکیاتی رکاوٹ کو کم کیا جا سکے اور سلیکون مواد کی توسیع کے لیے بفر کی جگہ فراہم کی جا سکے۔

عام طور پر متعارف کردہ conductive مواد میں Ag، conductive پولیمر، گرافائٹ شدہ کاربن کے مواد وغیرہ شامل ہیں۔ سلیکون اور گرافائٹ کے مواد کی اختلاط اور ملاوٹ سب سے زیادہ ممکنہ اطلاق کی سمت ہے، جیسا کہ موجودہ مشہور سلیکون کاربن (Si/C) اینوڈ مواد بھی ہے۔

2. نانو سائز سلیکون ذرات

نظریاتی اور تجرباتی نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ جب سلیکون نانو ذرات کا سائز 150nm سے کم ہو، سلیکون ذرات کا سائز 380nm سے کم ہو، یا سلیکون نانو وائر کی شعاعی چوڑائی 300nm سے کم ہو، تو نانو سلیکون مواد اپنی حجم توسیع برداشت کرسکتا ہے اور لیتھیئم آئنز کے پہلے داخلے کے بعد پاؤڈر نہیں ہوتے۔

میکرون سلیکون ذرات کے مقابلے میں، سلیکون نانو مواد زیادہ صلاحیت، زیادہ مستحکم ساخت اور کارکردگی، اور تیز چارجنگ اور ڈسچارجنگ کی صلاحیت دکھاتے ہیں۔ اس وقت، عام طور پر کیمیکل بخارات جمع کرنے کے طریقے (CVD)، مائع مرحلے کے ردعمل کے طریقے، میگنیشیم تھرمل ریڈکشن کے طریقے سے سلیکون ڈائی آکسائیڈ یا سلیکٹیٹ، کم درجہ حرارت تھرمائٹ ریڈکشن کا طریقہ، الیکٹرو کیمیکل جمع کرنے کا طریقہ اور SiO2 اور CaSiO3 کی الیکٹرو کیمیکل ریڈکشن وغیرہ کے ذریعے، مختلف شکلوں میں سلیکون پر مبنی نانو ذرات کی تیاری کی جا رہی ہے۔

3. سلیکون مواد میں مسام دار

مسام دار ڈیزائن سلیکون کاربن انوڈ مواد کی بڑی توسیع کے لئے مسام محفوظ رکھتا ہے، تاکہ پوری ذرات یا الیکٹروڈ میں نمایاں ساختی تبدیلیاں پیدا نہ ہوں۔ خلا پیدا کرنے کے عمومی طریقے یہ ہیں: (1) خالی Si/C کور-شیل ساختی مواد تیار کرنا؛ (2) Si/C کمپوزٹ کے ساتھ کی-shell ساخت تیار کی گئی۔ کور اور شیل کے درمیان کافی خلاء والی ساخت کو اعلیٰ صلاحیت والے انوڈ مواد کے حجم کے اثر کو کم کرنے کے لئے بڑے پیمانے پر استعمال کیا گیا۔ (3) مسام دار سلیکون مواد (سلیکون اسپونج ساخت، وغیرہ) کی تیاری۔

سلیکون پر مبنی مواد کا مسام دار ڈیزائن لیتھیم کے ایمبیڈنگ کے حجم کی توسیع کے لئے جگہ محفوظ کرتا ہے، ذرات کے اندرونی تناؤ کو کم کرتا ہے، اور ذرات کی تاخیر کرتا ہے۔

ذرات کا پاؤڈر ہونا سلیکون کاربن انوڈ مواد کی سائیکلنگ کی کارکردگی کو ایک حد تک بہتر بنا سکتا ہے۔

4. نیو باندر

مضبوط باندر سلیکون ذرات کی پساوٹ کو مؤثر طریقے سے روک سکتا ہے، سلیکون الیکٹروڈ کی دراڑ کو روک سکتا ہے، اور سلیکون انوڈ مواد کی سائکلک استحکام کو بہتر بنا سکتا ہے۔ عام CMC، PAA اور PVDF باندر کے علاوہ، موجودہ تحقیق میں TiO2 کوٹنگ سلیکون مواد کو پول چپ کی دراڑ کی خود شفا بخش خصوصیت کو حاصل کرنے کے لئے آزمایا گیا ہے۔ بانڈر کی لچک کو بہتر بنانے کے لئے، سلیکون انوڈ کے حجم کی توسیع اور انقباض کو برداشت کرنا، پیدا ہونے والے تناؤ کو آزاد کرنا وغیرہ۔

5. سطحی استحکام کی بہترین سازی

لیتھیم آئن بیٹری کا نظام ایک کثیر سطحی نظام ہے، ہر رابطہ سطح کی استحکام اور بانڈنگ قوت کو بہتر بنانا لیتھیم آئن بیٹری کے نظام کی سائیکل استحکام اور صلاحیت پر اہم اثر ڈالتا ہے۔ الیکٹروائٹ کی ترکیب کو بہتر بنا کر اور SiOx پاسیوائزیشن تہہ کو ہٹا کر، سلیکون پر مبنی مواد کی صلاحیت کی ترقی اور سائیکلنگ کی استحکام میں بہتری آئی۔ ZnO کو سلیکون کاربن الیکٹروڈ پر کوٹنگ کرکے رابطہ سطح کو بہتر بنایا گیا تاکہ SEI فلم کی استحکام کو یقینی بنایا جا سکے۔

6. پری لیتھیشن ٹیکنالوجی

سلیکون انوڈ مواد پہلے سائیکل کے لئے بہت زیادہ ناقابل واپس لیتھیم خرچ کرتا ہے۔ سلیکون انوڈ میں کچھ لیتھیم (میٹل لیتھیم پاؤڈر یا LixSi) کو پیشگی شامل کرنے کا طریقہ جو ناقابل واپس لیتھیم کے خرچ کو پورا کرتا ہے اسے پری لیتھیشن ٹیکنالوجی کہا جاتا ہے۔

حالیہ وقت میں، سطح میں ترمیم شدہ خشک اور مستحکم میٹل لیتھیم پاؤڈر شامل کرنے یا LixSi کمپوزٹ اضافی مواد شامل کرنے کا عمومی طریقہ استعمال ہوتا ہے تاکہ مصنوعی SEI فلم کا حفاظتی تہہ بنایا جا سکے۔

سلیکون پر مبنی انوڈ مواد کی 300% حجم توسیع کی شرح کے مقابلے میں، SiOx انوڈ مواد میں غیر فعال عنصر آکسیجن کا تعارف لیتھیم کے ڈیانٹریکیشن کے عمل کے دوران فعال مواد کی حجم توسیع کی شرح کو نمایاں طور پر کم کرتا ہے (160%، سلیکون انوڈز کے 300% سے کم)، جبکہ اس کی اعلیٰ قابل واپسی صلاحیت (1400-1740mAh/g) ہے۔

تاہم، تجارتی گرافائٹ انوڈ کے مقابلے میں، SiOx کا حجم کی توسیع اب بھی شدید ہے، اور SiOx کی برقی موصلیت Si سے بدتر ہے۔ لہذا، اگر SiOx مواد کو تجارتی ایپلی کیشنز میں ڈالنا ہے تو درپیش دشواریاں چھوٹی نہیں ہیں۔ یہ آئن بیٹریوں کے لئے انوڈ مواد کی تحقیق کا ایک اہم نقطہ ہے۔

سلکان آکسائیڈ کی الیکٹرانک چالکتا ناقص ہے، اور اسے لیتھیم آئن بیٹری کے منفی الیکٹروڈ پر لاگو کرنے کا سب سے عام طریقہ کاربن مواد کے ساتھ مرکب کرنا ہے۔ کاربن کے ذریعہ کا انتخاب جامع مواد کی کارکردگی پر بہت زیادہ اثر انداز ہوتا ہے۔ عام طور پر استعمال ہونے والے کاربن ذرائع میں نامیاتی کاربن کے ذرائع جیسے فینولک رال اور پچ، غیر نامیاتی کاربن کے ذرائع جیسے فرکٹوز، گلوکوز اور سائٹرک ایسڈ، گریفائٹ، گرافین آکسائیڈ اور کوندکٹو پولیمر مواد وغیرہ شامل ہیں۔ ان میں سے، گرافین کا دو جہتی ڈھانچہ لچکدار ہے، اور گرافین سے لپٹا SiOx حجم کی توسیع اور سکڑاؤ کے عمل میں خود کو ٹھیک کر سکتا ہے۔ ذرہ کی شکل میں سلیکون آکسائیڈ کے علاوہ، ایک جہتی سلکان آکسائیڈ مواد لتیم آئنوں اور الیکٹرانوں کی مختلف نقل و حمل کی سہولت فراہم کرے گا۔

سلیکون آکسیجن منفی الیکٹروڈ کے استعمال میں، اگرچہ سلیکون مواد کی حجم کی توسیع کا اثر سلیکون مواد کے مقابلے میں کم ہے، اسی وقت، آکسیجن کے تعارف کی وجہ سے پہلے کولمب کی کارکردگی میں کمی آتی ہے، اس لیے پہلے اثر کو بہتر بنانا ایک ایسا مسئلہ ہے جسے حل کرنے کی ضرورت ہے۔