લિથિયમ-આયન બેટરી અથવા લિ-આયન બેટરી (એલઆઇબી તરીકે સંક્ષિપ્તમાં) રિચાર્જેબલ બેટરીનો એક પ્રકાર છે.લિથિયમ-આયન બેટરીનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પોર્ટેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઇલેક્ટ્રિક વાહનો માટે થાય છે અને લશ્કરી અને એરોસ્પેસ એપ્લિકેશન્સ માટે લોકપ્રિયતા વધી રહી છે.1985 માં અકીરા યોશિનો દ્વારા પ્રોટોટાઇપ લિ-આયન બેટરી વિકસાવવામાં આવી હતી, જે 1970-1980 ના દાયકા દરમિયાન જોન ગુડનફ, એમ. સ્ટેનલી વિટિંગહામ, રાચિડ યાઝામી અને કોઇચી મિઝુશિમા દ્વારા અગાઉના સંશોધનના આધારે વિકસાવવામાં આવી હતી, અને પછી એક વ્યાવસાયિક લિ-આયન બેટરી વિકસાવવામાં આવી હતી. 1991માં યોશિયો નિશીની આગેવાની હેઠળની સોની અને અસાહી કેસી ટીમ. 2019માં, "લિથિયમ આયન બેટરીના વિકાસ માટે" યોશિનો, ગુડનફ અને વિટિંગહામને રસાયણશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર આપવામાં આવ્યો હતો.

બેટરીમાં, લિથિયમ આયનો ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરફ જાય છે, અને જ્યારે ચાર્જ થાય છે ત્યારે પાછા જાય છે.લિ-આયન બેટરી પોઝિટીવ ઇલેક્ટ્રોડ પર સામગ્રી તરીકે ઇન્ટરકેલેટેડ લિથિયમ સંયોજનનો ઉપયોગ કરે છે અને સામાન્ય રીતે નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર ગ્રેફાઇટ.બેટરીઓ ઊંચી ઉર્જા ઘનતા ધરાવે છે, કોઈ મેમરી અસર નથી (LFP કોષો સિવાય) અને ઓછી સ્વ-ડિસ્ચાર્જ છે.જો કે તેઓ સલામતી માટે જોખમી બની શકે છે કારણ કે તેમાં જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ હોય છે, અને જો ક્ષતિગ્રસ્ત અથવા ખોટી રીતે ચાર્જ કરવામાં આવે તો વિસ્ફોટ અને આગ લાગી શકે છે.લિથિયમ-આયન આગને પગલે સેમસંગને ગેલેક્સી નોટ 7 હેન્ડસેટ પાછા મંગાવવાની ફરજ પડી હતી, અને બોઇંગ 787s પર બેટરી સાથે સંકળાયેલા અનેક બનાવો બન્યા છે.

LIB પ્રકારોમાં રસાયણશાસ્ત્ર, કામગીરી, કિંમત અને સલામતીની લાક્ષણિકતાઓ અલગ અલગ હોય છે.હેન્ડહેલ્ડ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ મોટાભાગે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LiCoO2) સાથે લિથિયમ પોલિમર બેટરી (ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે પોલિમર જેલ સાથે) કેથોડ સામગ્રી તરીકે ઉપયોગ કરે છે, જે ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા પ્રદાન કરે છે, પરંતુ સલામતી જોખમો રજૂ કરે છે, ખાસ કરીને જ્યારે નુકસાન થાય છે.લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LiFePO4), લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (LiMn2O4, Li2MnO3, અથવા LMO), અને લિથિયમ નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ ઓક્સાઈડ (LiNiMnCoO2 અથવા NMC) ઓછી ઉર્જા ઘનતા આપે છે પરંતુ લાંબા સમય સુધી જીવે છે અને આગ કે વિસ્ફોટની ઓછી સંભાવના છે.આવી બેટરીનો વ્યાપકપણે ઈલેક્ટ્રીક સાધનો, તબીબી સાધનો અને અન્ય ભૂમિકાઓ માટે ઉપયોગ થાય છે.NMC અને તેના ડેરિવેટિવ્ઝનો વ્યાપકપણે ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં ઉપયોગ થાય છે.

લિથિયમ-આયન બેટરીના સંશોધન ક્ષેત્રોમાં જીવનકાળ લંબાવવો, ઉર્જા ઘનતા વધારવી, સલામતીમાં સુધારો કરવો, ખર્ચ ઘટાડવો અને ચાર્જિંગની ઝડપ વધારવી વગેરેનો સમાવેશ થાય છે.વિશિષ્ટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં વપરાતા કાર્બનિક દ્રાવકોની જ્વલનક્ષમતા અને અસ્થિરતાને આધારે સલામતી વધારવાના માર્ગ તરીકે બિન-જ્વલનશીલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના ક્ષેત્રમાં સંશોધન ચાલી રહ્યું છે.વ્યૂહરચનામાં જલીય લિથિયમ-આયન બેટરી, સિરામિક સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ, પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ, આયનીય પ્રવાહી અને ભારે ફ્લોરિનેટેડ સિસ્ટમ્સનો સમાવેશ થાય છે.

બેટરી વિરુદ્ધ સેલ

સેલ એ મૂળભૂત ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એકમ છે જેમાં ઇલેક્ટ્રોડ્સ, વિભાજક અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો સમાવેશ થાય છે.

બૅટરી અથવા બૅટરી પૅક એ કોષો અથવા સેલ એસેમ્બલીઓનો સંગ્રહ છે, જેમાં હાઉસિંગ, ઇલેક્ટ્રિકલ કનેક્શન અને નિયંત્રણ અને રક્ષણ માટે સંભવતઃ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ છે.

એનોડ અને કેથોડ ઇલેક્ટ્રોડ્સ
રિચાર્જેબલ કોષો માટે, શબ્દ એનોડ (અથવા નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ) ઇલેક્ટ્રોડને નિયુક્ત કરે છે જ્યાં ડિસ્ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન ઓક્સિડેશન થઈ રહ્યું છે;અન્ય ઇલેક્ટ્રોડ કેથોડ (અથવા હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ) છે.ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન, હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ એનોડ બને છે અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ કેથોડ બને છે.મોટાભાગના લિથિયમ-આયન કોષો માટે, લિથિયમ-ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોડ એ હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ છે;ટાઇટેનેટ લિથિયમ-આયન કોષો (LTO) માટે, લિથિયમ-ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોડ એ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ છે.

ઇતિહાસ

પૃષ્ઠભૂમિ

Varta લિથિયમ-આયન બેટરી, મ્યુઝિયમ ઓટોવિઝન, Altlussheim, જર્મની
લિથિયમ બેટરીઓ બ્રિટિશ રસાયણશાસ્ત્રી અને રસાયણશાસ્ત્ર માટે 2019 નોબેલ પુરસ્કારના સહ-પ્રાપ્તકર્તા દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી હતી.વિટિંગહામે ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ટાઇટેનિયમ(IV) સલ્ફાઇડ અને લિથિયમ મેટલનો ઉપયોગ કર્યો હતો.જો કે, આ રિચાર્જેબલ લિથિયમ બેટરીને ક્યારેય વ્યવહારુ બનાવી શકાઈ નથી.ટાઇટેનિયમ ડિસલ્ફાઇડ એ નબળી પસંદગી હતી, કારણ કે તેને સંપૂર્ણપણે સીલબંધ સ્થિતિમાં સંશ્લેષણ કરવું પડે છે, તે ખૂબ ખર્ચાળ પણ છે (1970 ના દાયકામાં ટાઇટેનિયમ ડાયસલ્ફાઇડ કાચા માલ માટે ~$1,000 પ્રતિ કિલોગ્રામ).જ્યારે હવાના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે ટાઇટેનિયમ ડાયસલ્ફાઇડ હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડ સંયોજનો બનાવવા માટે પ્રતિક્રિયા આપે છે, જેમાં અપ્રિય ગંધ હોય છે અને મોટાભાગના પ્રાણીઓ માટે ઝેરી હોય છે.આ અને અન્ય કારણોસર, એક્સોનએ વિટિંગહામની લિથિયમ-ટાઇટેનિયમ ડિસલ્ફાઇડ બેટરીનો વિકાસ બંધ કરી દીધો હતો.[28]મેટાલિક લિથિયમ ઇલેક્ટ્રોડ સાથેની બેટરીઓએ સલામતી સમસ્યાઓ રજૂ કરી, કારણ કે લિથિયમ મેટલ પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, જ્વલનશીલ હાઇડ્રોજન ગેસ મુક્ત કરે છે.પરિણામે, સંશોધન એ બેટરીઓ વિકસાવવા તરફ આગળ વધ્યું જેમાં, ધાતુના લિથિયમને બદલે, માત્ર લિથિયમ સંયોજનો હાજર હોય છે, જે લિથિયમ આયનોને સ્વીકારવા અને મુક્ત કરવામાં સક્ષમ હોય છે.

ગ્રેફાઇટમાં ઉલટાવી શકાય તેવું ઇન્ટરકેલેશન અને કેથોડિક ઓક્સાઇડમાં ઇન્ટરકેલેશન 1974-76 દરમિયાન TU મ્યુનિક ખાતે JO બેસનહાર્ડ દ્વારા શોધવામાં આવ્યું હતું.બેસેનહાર્ડે લિથિયમ કોષોમાં તેની અરજીની દરખાસ્ત કરી.ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું વિઘટન અને ગ્રેફાઇટમાં દ્રાવક સહ-સંવાદ એ બેટરી જીવન માટે ગંભીર પ્રારંભિક ખામીઓ હતી.

વિકાસ

1973 - એડમ હેલરે લિથિયમ થિયોનાઇલ ક્લોરાઇડ બેટરીનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો, જેનો ઉપયોગ હજુ પણ પ્રત્યારોપણ કરાયેલ તબીબી ઉપકરણોમાં અને સંરક્ષણ પ્રણાલીઓમાં થાય છે જ્યાં 20-વર્ષ કરતાં વધુ શેલ્ફ લાઇફ, ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા અને/અથવા ભારે ઓપરેટિંગ તાપમાન માટે સહનશીલતા જરૂરી છે.
1977 - સમર બસુએ યુનિવર્સિટી ઓફ પેન્સિલવેનિયા ખાતે ગ્રેફાઇટમાં લિથિયમના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઇન્ટરકેલેશનનું નિદર્શન કર્યું.આનાથી લિથિયમ મેટલ ઇલેક્ટ્રોડ બેટરીનો વિકલ્પ પૂરો પાડવા માટે બેલ લેબ્સ (LiC6) ખાતે કાર્યક્ષમ લિથિયમ ઇન્ટરકેલેટેડ ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડનો વિકાસ થયો.
1979 - અલગ-અલગ જૂથોમાં કામ કરતા, નેડ એ. ગોડશેલ એટ અલ., અને તેના થોડા સમય પછી, જ્હોન બી. ગુડનફ (ઓક્સફર્ડ યુનિવર્સિટી) અને કોઇચી મિઝુશિમા (ટોક્યો યુનિવર્સિટી), લિથિયમનો ઉપયોગ કરીને 4 વી શ્રેણીમાં વોલ્ટેજ સાથે રિચાર્જ કરી શકાય તેવા લિથિયમ સેલનું નિદર્શન કર્યું. કોબાલ્ટ ડાયોક્સાઇડ (LiCoO2) હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે અને લિથિયમ મેટલ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે.આ નવીનતાએ સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી પ્રદાન કરી જેણે પ્રારંભિક વ્યાવસાયિક લિથિયમ બેટરીઓને સક્ષમ કરી.LiCoO2 એ સ્થિર હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી છે જે લિથિયમ આયનોના દાતા તરીકે કાર્ય કરે છે, જેનો અર્થ છે કે તેનો ઉપયોગ લિથિયમ મેટલ સિવાયના નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી સાથે થઈ શકે છે.સ્થિર અને હેન્ડલ-ટુ-હેન્ડલ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના ઉપયોગને સક્ષમ કરીને, LiCoO2 એ નવી રિચાર્જેબલ બેટરી સિસ્ટમ્સને સક્ષમ કરી.ગોડશેલ એટ અલ.સ્પિનલ LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8, અને LiFe5O4 (અને પછીથી લિથિયમ-કોપર-ઓક્સાઇડ અને લિથિયમ-નિકલ-ઓક્સાઇડ કેથોડ સામગ્રીઓ) જેવા ટર્નરી કમ્પાઉન્ડ લિથિયમ-ટ્રાન્ઝીશન મેટલ-ઓક્સાઇડના સમાન મૂલ્યને વધુ ઓળખવામાં આવે છે.
1980 - રાચિદ યાઝામીએ ગ્રેફાઇટમાં લિથિયમનું ઉલટાવી શકાય તેવું ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઇન્ટરકેલેશન દર્શાવ્યું અને લિથિયમ ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડ (એનોડ)ની શોધ કરી.તે સમયે ઉપલબ્ધ કાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ગ્રેફાઇટ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સાથે ચાર્જિંગ દરમિયાન વિઘટિત થશે.યાઝામીએ એ દર્શાવવા માટે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કર્યો કે લિથિયમને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ મિકેનિઝમ દ્વારા ગ્રેફાઇટમાં ઉલટાવી શકાય છે.2011 સુધીમાં, યાઝામીનું ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડ વ્યાવસાયિક લિથિયમ-આયન બેટરીઓમાં સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું ઇલેક્ટ્રોડ હતું.
1980ના દાયકાની શરૂઆતમાં ટોકિયો યામાબે અને બાદમાં શઝુકુની યાતા દ્વારા શોધાયેલ PAS (પોલિયાસેનિક સેમિકન્ડક્ટિવ મટિરિયલ)માં નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડનું મૂળ છે.આ ટેક્નોલોજીનું બીજ પ્રોફેસર હિડેકી શિરાકાવા અને તેમના જૂથ દ્વારા વાહક પોલિમરની શોધ હતી, અને તે એલન મેકડાયર્મિડ અને એલન જે. હીગર એટ અલ દ્વારા વિકસિત પોલિએસીટીલીન લિથિયમ આયન બેટરીથી શરૂ થયું હોવાનું પણ જોઈ શકાય છે.
1982 - ગોડશેલ એટ અલ.ગોડશેલની સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સિટી પીએચ.ડી.ના આધારે લિથિયમ બેટરીમાં કેથોડ્સ તરીકે LiCoO2 નો ઉપયોગ કરવા બદલ યુએસ પેટન્ટ 4,340,652 એનાયત કરવામાં આવી હતી.નિબંધ અને 1979 પ્રકાશનો.
1983 - માઈકલ એમ. ઠાકરે, પીટર બ્રુસ, વિલિયમ ડેવિડ અને જ્હોન ગુડનફે લિથિયમ-આયન બેટરી માટે વ્યવસાયિક રીતે સંબંધિત ચાર્જ્ડ કેથોડ સામગ્રી તરીકે મેંગેનીઝ સ્પિનલ વિકસાવી.
1985 - અકીરા યોશિનોએ કાર્બોનેસીયસ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરીને એક પ્રોટોટાઇપ સેલ એસેમ્બલ કર્યો જેમાં એક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે લિથિયમ આયન અને બીજા તરીકે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LiCoO2) દાખલ કરી શકાય.આનાથી સલામતીમાં નાટકીય રીતે સુધારો થયો છે.LiCoO2 એ ઔદ્યોગિક-સ્કેલ ઉત્પાદનને સક્ષમ કર્યું અને વ્યાપારી લિથિયમ-આયન બેટરીને સક્ષમ કરી.
1989 - અરુમુગમ મંથીરામ અને જ્હોન બી. ગુડનફએ કેથોડ્સના પોલિઅનિયન વર્ગની શોધ કરી.તેઓએ બતાવ્યું કે પોલિઆનિયનની પ્રેરક અસરને કારણે પોલીઆનિયન ધરાવતાં હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ, દા.ત., સલ્ફેટ, ઓક્સાઇડ કરતાં વધુ વોલ્ટેજ ઉત્પન્ન કરે છે.આ પોલિઆનિયન વર્ગમાં લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ જેવી સામગ્રીઓ હોય છે.

< ચાલુ રાખવા માટે...>