লিথিয়াম-সালফার ব্যাটারি: নেক্সট-জেন এনার্জি স্টোরেজের জন্য আয়নিক তরল সুবিধা

একটি পোস্ট-লিথিয়াম-আয়ন প্রোগ্রামের জন্য কোষের রসায়নের মূল্যায়নকারী ব্যাটারি প্রকৌশলীরা সাধারণত একটি প্রশ্ন দিয়ে শুরু করেন: আমরা কি কঠিন-স্টেট সিস্টেমে বাজি ছাড়াই 400 Wh/kg এর বেশি পেতে পারি যা স্কেলে পাঠানো হয়নি? লিথিয়াম-সালফার (লি-এস) ব্যাটারি নীতিগতভাবে এই প্রশ্নের উত্তর দেয়, কিন্তু রসায়নের খ্যাতি রয়েছে অল্প বয়সে মারা যাওয়ার জন্য। কারণ একা সালফার ক্যাথোড নয়; এটি ইলেক্ট্রোলাইট এবং লিথিয়াম-ধাতু অ্যানোডের সাথে এর মিথস্ক্রিয়া। আয়নিক তরল উভয় সমস্যার সমাধান করে যেভাবে প্রচলিত ইথার বা কার্বনেট ইলেক্ট্রোলাইট পারে না, এবং তারা আজ Ldet শক্তির মতো নির্মাতাদের কাছ থেকে শিল্প পরিমাণে পাওয়া যায়। প্রযুক্তিগত ফিট এবং সরবরাহের বাস্তবতার সমন্বয়ের কারণেই Li-S পরবর্তী প্রজন্মের সবচেয়ে ব্যবহারিক রসায়নগুলির মধ্যে একটি থেকে যায়, যদি ইলেক্ট্রোলাইটটি অন্য কোষ বিন্যাস থেকে ধার না করে প্রকৌশলী হয়।

কেন Li-S ব্যাটারি এখনও নির্দিষ্ট করার যোগ্য

সিস্টেম ডিজাইনের জন্য গুরুত্বপূর্ণ সংখ্যা দিয়ে শুরু করুন। সালফার-থেকে-লিথিয়াম-সালফাইড রেডক্স দম্পতির তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট শক্তি প্রায় 2,600 Wh/kg, আজকের লিথিয়াম-আয়ন কোষের ব্যবহারিক মূল্যের পাঁচ থেকে দশ গুণ। এমনকি অতিরিক্ত ইলেক্ট্রোলাইট, পরিবাহী কার্বন, বিভাজক ভর এবং থলির হার্ডওয়্যারের মতো বাস্তব-বিশ্বের অদক্ষতার পরেও, ব্যবহারিক Li-S প্যাকগুলি বারবার 400 থেকে 600 Wh/kg লক্ষ্যমাত্রার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। সালফার 1,675 mAh/g এর তাত্ত্বিক ক্ষমতা অবদান রাখে এবং কোষটি Li/L এর বিপরীতে প্রায় 2.15 V এ নির্গত হয়। ক্রয়কারী দলগুলির জন্য, সমানভাবে গুরুত্বপূর্ণ তথ্য হল সালফার প্রচুর, সস্তা এবং কোবাল্ট এবং নিকেল মুক্ত, সরবরাহ-চেইন বাধা এবং দায়ী-সোর্সিং উদ্বেগ উভয়ই দূর করে।

এর কোনোটাই নতুন নয়। Li-S গবেষণা কয়েক দশক ধরে বিস্তৃত, এবং রসায়ন লিথিয়াম-আয়ন প্রতিস্থাপন না করার কারণ হল একটি চক্র-জীবন সমস্যা ইলেক্ট্রোলাইট আচরণের মূলে। প্রোটোটাইপ বা প্রোডাক্ট রোডম্যাপের পরিকল্পনা করা যেকোন ব্যক্তির জন্য মূল বিষয় হল যে ব্যর্থতার প্রক্রিয়াটি ভালভাবে বোঝা যায় এবং ইলেক্ট্রোলাইট ডিজাইন, বীরত্বপূর্ণ ইলেক্ট্রোড আর্কিটেকচার নয়, সবচেয়ে সরাসরি সমাধান।

লি-এস সাইকেল জীবন নিয়ন্ত্রণকারী চারটি বাধা

একটি Li-S কোষ চারটি আন্তঃসংযুক্ত উপায়ে ব্যর্থ হয়। একটি স্পেসিফিকেশন লেখার আগে সেগুলি বোঝা হল একটি 50-সাইকেল প্রদর্শন এবং 500-চক্রের পণ্যের মধ্যে পার্থক্য।

একটি সিস্টেম ভিউ হিসাবে টেবিল পড়ুন. প্রতিটি বাধার একটি ইলেক্ট্রোলাইট-সাইড কাউন্টারমেজার রয়েছে, যে কারণে বেশিরভাগ Li-S উন্নয়ন প্রোগ্রামগুলি এখন একা ক্যাথোড সংশ্লেষণের চেয়ে ইলেক্ট্রোলাইট গঠনে বেশি সময় ব্যয় করে।

আয়নিক তরল যা অবদান রাখে যে প্রচলিত ইলেক্ট্রোলাইট পারে না

প্রথম উপসংহার: আয়নিক তরলগুলি কেবলমাত্র প্রচুর পরিমাণে নয়, ইন্টারফেসে Li-S সিস্টেমকে ঠিক করে। প্রচলিত ডাইঅক্সোলেন এবং ডাইমেথোক্সিথেন মিশ্রণগুলি বেছে নেওয়া হয় কারণ তারা পলিসালফাইডগুলিকে দ্রবীভূত করে এবং একই বৈশিষ্ট্য শাটলকে চালিত করে। কার্বনেট ইলেক্ট্রোলাইটস, ঘুরে, পলিসালফাইড মধ্যবর্তী আক্রমণ করে এবং কার্যকরভাবে অব্যবহৃত হয়। আয়নিক তরল একটি ভিন্ন ডিজাইনের স্থান দখল করে কারণ ক্যাটেশন এবং অ্যানিয়ন সলভেশন শক্তি, ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল উইন্ডো এবং কঠিন-ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেজ নিয়ন্ত্রণ করতে স্বাধীনভাবে নির্বাচন করা হয়।

তিনটি বৈশিষ্ট্য অনুশীলনে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ:

• প্রশস্ত ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল উইন্ডো। বেশিরভাগ আয়নিক তরল 4.5 V বনাম Li/L এর উপরে স্থিতিশীল থাকে এবং অনেকগুলি লিথিয়াম ধাতুতে সহজেই পচে না, যা একটি Li-S অ্যানোডের জন্য একটি মৌলিক প্রয়োজন।
• অ-দাহনীয়তা এবং প্রায় শূন্য বাষ্প চাপ। এটি উদ্বায়ী ইথার মিশ্রণের উপর একটি অর্থপূর্ণ নিরাপত্তা সুবিধা এবং সিস্টেম-স্তরের বৈধতাকে সরল করে।
• টিউনযোগ্য পলিসালফাইড মিথস্ক্রিয়া। পাইরোলিডিনিয়াম এবং পাইপিরিডিনিয়াম ক্যাটেশনগুলি ইমিডাজোলিয়াম ক্যাটেশনের তুলনায় নিউক্লিওফিলিক পলিসালফাইডের প্রতি অনেক কম প্রতিক্রিয়াশীল, যখন TFSI এবং FSI অ্যানিয়নগুলি ইথার দ্রাবকের একই লিথিয়াম লবণের তুলনায় শাটলকে আরও কার্যকরভাবে হ্রাস করে।

Cation এবং anion পরিবার পরীক্ষার মূল্য

একটি Li-S প্রোগ্রামে ব্যবহারিক পছন্দ সাধারণত একটি কম-সান্দ্রতা ইমিডাজোলিয়াম লবণ এবং একটি আরো স্থিতিশীল চক্রীয় ক্যাটেশনের মধ্যে হয়। প্রতিটি পরিবার অর্ধ-কোষ বা পাউচ-সেল টেস্ট ম্যাট্রিক্সে কী নিয়ে আসে তা সারণীতে তুলে ধরা হয়েছে।

কম সান্দ্রতা প্রধান কারণ একটি ফর্মুলেশন টিম 1-ইথাইল-3-মিথাইলিমিডাজোলিয়াম বিস(ফ্লুরোসালফোনাইল) ইমাইড বা EMIM-FSI দিয়ে শুরু হয়। এটি ঘরের তাপমাত্রায় ভাল সঞ্চালন করে এবং FSI অ্যানিয়ন একটি লিথিয়াম-বান্ধব SEI সরবরাহ করে। সর্বাধিক শক্তির ঘনত্বের উপর স্রাবের হারকে অগ্রাধিকার দেয় এমন কোষগুলির জন্য, EMIM-FSI-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোলাইট হল সালফার ব্যবহার উন্নত করার দ্রুততম উপায়গুলির মধ্যে একটি।

1-ইথাইল-3-মিথাইলিমিডাজোলিয়াম বিস(ফ্লুরোসালফোনাইল)ইমাইড (EMIM-FSI) আয়নিক তরল কম সান্দ্রতা ভাল কক্ষ-তাপমাত্রা পরিবাহিতা সক্ষম করে, যখন FSI অ্যানিয়ন একটি লিথিয়াম-বান্ধব SEI গঠনে সহায়তা করে, এটি উচ্চ-হারের লিথিয়াম-সালফার ইলেক্ট্রোলাইট ফর্মুলেশনের জন্য একটি শক্তিশালী প্রার্থী করে তোলে। পণ্য দেখুন →

যখন টার্গেট অ্যানোডের দিকে দীর্ঘ চক্র জীবন হয়, তখন একটি পাইপিরিডিনিয়াম ক্যাটেশন হল আরও রক্ষণশীল পছন্দ। 1-Butyl-1-methylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, প্রায়ই সংক্ষেপে PP14-TFSI, পলিসালফাইড স্থানান্তর নিয়ন্ত্রণে রেখে বিস্তৃত তাপমাত্রার পরিসরে ইলেক্ট্রোকেমিক্যালভাবে স্থিতিশীল থাকে।

1-Butyl-1-মিথাইলপাইপেরিডিনিয়াম bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (PP14-TFSI) আয়নিক তরল পাইপেরিডিনিয়াম cation provides wide-temperature electrochemical stability and helps control polysulfide migration, offering a conservative choice for long-cycle-life anode-side electrolyte designs. পণ্য দেখুন →

আয়নিক তরল গ্রেড নির্দিষ্ট করা: কি সংগ্রহ জিজ্ঞাসা করা উচিত

ব্যাটারি-গ্রেডের বিশুদ্ধতা ক্যাটালগ বিশুদ্ধতার মতো নয়। লি-এস কাজের জন্য, জলের উপাদান, হ্যালাইডের অবশিষ্টাংশ এবং সিন্থেটিক রুট নিজেই বিজ্ঞাপিত পরীক্ষার চেয়ে বেশি গুরুত্বপূর্ণ। এমনকি কয়েকশ পিপিএম-এ জল লিথিয়াম ধাতু এবং এফএসআই অ্যানয়নের সাথে বিক্রিয়া করে, হাইড্রোজেন ফ্লোরাইড তৈরি করে এবং সক্রিয় উপাদান গ্রহণ করে।

• জলের উপাদান। কার্ল ফিশারের দ্বারা 300 পিপিএমের কাছাকাছি একটি ব্যাচ-গ্রহণযোগ্যতা সীমা সেট করুন এবং বিশ্লেষণের শংসাপত্রে পরিমাপের জন্য জিজ্ঞাসা করুন।
• Halide অবশিষ্টাংশ. ক্লোরাইড এবং ব্রোমাইড 500 পিপিএম-এর নিচে রাখুন, যেহেতু হ্যালাইড লিথিয়াম-এনোড ক্ষয়কে ত্বরান্বিত করে এমনকি যখন প্রধান লবণ ব্যাটারি-গ্রেড LiTFSI হয়।
• ক্যাটান বিশুদ্ধতা। নিশ্চিত করুন যে ডায়ালকিলিমিডাজোলিয়াম উপ-পণ্য নিয়ন্ত্রিত হয়; তারা সান্দ্রতা প্রভাবিত করে এবং SEI রসায়ন পরিবর্তন করতে পারে।
• সান্দ্রতা ডকুমেন্টেশন। 25 ডিগ্রি সেলসিয়াসে একটি সান্দ্রতা মান ব্যাচ-টু-ব্যাচ সামঞ্জস্যের জন্য একটি সস্তা এবং নির্ভরযোগ্য প্রক্সি।

এফএসআই এবং টিএফএসআই অ্যানয়নের মধ্যে ট্রেড-অফ একটি সুস্পষ্ট মূল্যায়নের দাবি রাখে। FSI ভাল লিথিয়াম-ধাতু প্যাসিভেশন এবং নিম্ন সান্দ্রতা প্রদান করে; TFSI উচ্চতর তাপীয় এবং হাইড্রোলাইটিক স্থিতিশীলতা প্রদান করে। একটি গুরুতর পরীক্ষার প্রোগ্রাম ডেটা উপস্থিত হওয়ার আগে একটি অ্যানিয়নে প্রতিশ্রুতিবদ্ধ হওয়ার পরিবর্তে ইলেক্ট্রোলাইটে 20 থেকে 50 ওজন শতাংশে উভয় বিকল্পকে উন্মুক্ত রাখে। উচ্চ-তাপমাত্রা পরীক্ষার জন্য, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide হল একটি নিম্ন-সান্দ্রতা TFSI লবণ যা তাপীয় হেডরুম যোগ করার সময় ইমিডাজোলিয়াম পরিচালনার সুবিধা ধরে রাখে।

1-ইথাইল-3-মিথাইলিমিডাজোলিয়াম বিআইএস (ট্রাইফ্লুরোমেথাইলসলফোনাইল) ইমাইড (ইএমআইএম-টিএফএসআই) আয়নিক তরল TFSI এর উচ্চতর তাপীয় এবং হাইড্রোলাইটিক স্থিতিশীলতার সাথে ইমিডাজোলিয়াম হ্যান্ডলিং সুবিধাগুলিকে মিশ্রিত করে, উচ্চ-তাপমাত্রার ইলেক্ট্রোলাইট মূল্যায়ন এবং তুলনামূলক অ্যানিয়ন পরীক্ষার জন্য একটি নিম্ন-সান্দ্রতা বিকল্প হিসাবে পরিবেশন করে। পণ্য দেখুন →

মনোমেরিক লবণের বাইরে, পলিমারিক আয়নিক তরল এছাড়াও ব্যাটারি এবং সুপারক্যাপাসিটর গবেষণায় প্রতিশ্রুতি দেখিয়েছে, বিশেষ করে যখন বিভাজক-সাইড আবরণের যান্ত্রিক স্থিতিশীলতা একটি উদ্বেগের বিষয়।

যোগ্যতার রোডম্যাপ: মূল্যায়ন সেল থেকে পাইলট লট পর্যন্ত

সংশ্লেষণ নিয়ন্ত্রণ সহ সরবরাহকারীর কাছ থেকে মূল্যায়নের পরিমাণ কিনুন, পণ্য স্টক পুনরায় বিক্রয়কারী পরিবেশক নয়। Li-S ইলেক্ট্রোলাইট বিকাশ একবারে একটি পরিবর্তনশীল পরিবর্তন করে কাজ করে এবং যদি আয়নিক তরলের অপরিষ্কার প্রোফাইল ব্যাচের মধ্যে স্থানান্তরিত হয়, চক্র-জীবনের ডেটা ব্যাখ্যা করা অসম্ভব হয়ে পড়ে।

1. প্রথম কেনার আগে বিশ্লেষণের শংসাপত্র এবং একটি আয়ন-ক্রোমাটোগ্রাফি হ্যালাইড ট্রেস অনুরোধ করুন।
2. একটি তিন-বিন্দু মূল্যায়ন চালান: আপনার বেস ইলেক্ট্রোলাইটে দ্রবণীয়তা, একটি প্রতিসম কক্ষে লিথিয়াম প্লেটিং এবং স্ট্রিপিং, এবং আপনার বর্তমান বেসলাইনের বিপরীতে একটি 100-চক্রের মুদ্রা-সেল পরীক্ষা।
3. কাস্টম-সংশ্লেষণ সহনশীলতা নিশ্চিত করুন। কোন দুটি Li-S দল অভিন্ন ফর্মুলেশন চালায় না, এবং একটি সরবরাহকারী যা নিম্ন-হ্যালাইড গ্রেড বা বিকল্প অ্যানিয়ন সংমিশ্রণ তৈরি করতে পারে তা আপনাকে কয়েক মাস দ্রাবক-স্ক্রীনিং কাজ বাঁচাতে পারে।
4. জল, হ্যালাইড, অ্যাসে এবং রঙ সহ ব্যাচ-গ্রহণযোগ্যতার মাপকাঠি নিয়ে আগে থেকেই আলোচনা করুন এবং পরীক্ষাগার কিলোগ্রাম থেকে পাইলট পরিমাণ পর্যন্ত একই মানদণ্ড টিকে আছে কিনা তা যাচাই করুন।

Ldet Energy হল এক সরবরাহকারী যা এই প্রোফাইলের সাথে মেলে। কোম্পানিটি 2009 সালে প্রতিষ্ঠার পর থেকে শিল্প স্কেলে আয়নিক তরল তৈরি করেছে, একটি ক্যাটালগ বিস্তৃত ইমিডাজোলিয়াম, পাইরোলিডিনিয়াম, পাইপিরিডিনিয়াম, পাইরিডিনিয়াম, এবং কোয়াটারনারি অ্যামোনিয়াম কাঠামো সরবরাহ করে এবং আন্তর্জাতিক ব্যাটারি প্রদর্শনীতে তার ব্যাটারি-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোলাইট সংযোজন উপস্থাপন করেছে। যেহেতু এটি কাস্টম-সংশ্লেষণ প্রকল্পগুলিও গ্রহণ করে, তাই R&D দলগুলি একটি সাধারণ ক্যাটালগ নমুনার পরিবর্তে একটি নির্দিষ্ট কাঠামো পরীক্ষা করতে পারে। প্রতি বিশ্লেষণাত্মক প্রয়োজনীয়তা এবং স্কেল-আপ নিয়ে আলোচনা করুন , ক্রয়কারী দলগুলি সরাসরি Ldet এর প্রযুক্তিগত কর্মীদের সাথে কাজ করতে পারে।

Li-S ব্যাটারি সর্বত্র লিথিয়াম-আয়ন প্রতিস্থাপন করবে না, কিন্তু শক্তি-ঘনত্ব-চালিত অ্যাপ্লিকেশন যেমন বিমান চালনা, প্রতিরক্ষা, এবং দীর্ঘ-মেয়াদী বহনযোগ্য শক্তির জন্য, এটি উৎপাদনে পৌঁছানোর সবচেয়ে সম্ভাবনাময় রসায়ন। ইলেক্ট্রোলাইট সিদ্ধান্ত নেয় যে কোষটি সফল হয় কিনা, এবং আয়নিক তরলগুলি হল সবচেয়ে নির্ভরযোগ্য ইলেক্ট্রোলাইট প্ল্যাটফর্ম যা আজ শিল্প স্কেলে উপলব্ধ। পরবর্তী ধাপটি অন্য সাহিত্য পর্যালোচনা নয়; এটি 100 গ্রাম সঠিক আয়নিক তরল অর্ডার করছে এবং একটি 100-সাইকেল ডেটা সেট তৈরি করছে৷