سلفر پر مبنی آل سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ اپنی اعلیٰ حفاظتی کارکردگی کی وجہ سے موجودہ لیتھیم آئن بیٹریوں کو بدل دیں گے۔ تاہم، آل سالڈ سٹیٹ بیٹری سلوری کی تیاری کے عمل میں، سالوینٹ، بائنڈر اور سلفائیڈ الیکٹرولائٹ کے درمیان متضاد قطبیتیں ہیں، اس لیے فی الحال بڑے پیمانے پر پیداوار حاصل کرنے کا کوئی طریقہ نہیں ہے۔ فی الحال، آل سالڈ سٹیٹ بیٹری پر تحقیق بنیادی طور پر لیبارٹری کے پیمانے پر کی جاتی ہے، اور بیٹری کا حجم نسبتاً چھوٹا ہے۔ آل سالڈ سٹیٹ بیٹری کی بڑے پیمانے پر پیداوار اب بھی موجودہ پیداواری عمل کی طرف ہے، یعنی فعال مادہ کو گارا بنا کر پھر لیپت اور خشک کیا جاتا ہے، جس کی کم قیمت اور زیادہ کارکردگی ہو سکتی ہے۔

ایک

مشکلات کا سامنا کرنا پڑا

لہذا، مائع محلول کو سہارا دینے کے لیے مناسب پولیمر بائنڈر اور سالوینٹ تلاش کرنا مشکل ہے۔ زیادہ تر سلفر پر مبنی ٹھوس الیکٹرولائٹس کو قطبی سالوینٹس میں تحلیل کیا جا سکتا ہے، جیسے کہ NMP جسے ہم فی الحال استعمال کرتے ہیں۔ لہذا سالوینٹس کا انتخاب صرف غیر قطبی یا سالوینٹ کی نسبتاً کمزور قطبیت کے لیے متعصب ہو سکتا ہے، جس کا مطلب ہے کہ بائنڈر کا انتخاب بھی اسی مناسبت سے تنگ ہے – پولیمر کے زیادہ تر قطبی فنکشنل گروپس کو استعمال نہیں کیا جا سکتا!

یہ سب سے بڑا مسئلہ نہیں ہے۔ قطبیت کے لحاظ سے، بائنڈر جو نسبتاً سالوینٹس اور سلفائیڈ الیکٹرولائٹس کے ساتھ مطابقت رکھتے ہیں، مجموعوں اور فعال مادوں اور الیکٹرولائٹس کے درمیان بانڈ کو کم کرنے کا باعث بنیں گے، جو بلاشبہ انتہائی الیکٹروڈ مائبادا اور تیز رفتار صلاحیت کے زوال کا باعث بنے گا، جو بیٹری کی کارکردگی کے لیے انتہائی نقصان دہ ہے۔

مندرجہ بالا ضروریات کو پورا کرنے کے لیے، تین اہم مادوں (بائنڈر، سالوینٹس، الیکٹرولائٹ) کو منتخب کیا جا سکتا ہے، صرف غیر قطبی یا کمزور قطبی سالوینٹس، جیسے پیرا-(P) xylene، toluene، n-hexane، anisole وغیرہ۔ .، کمزور پولر پولیمر بائنڈر کا استعمال کرتے ہوئے، جیسا کہ بٹادین ربڑ (BR)، اسٹائرین بوٹاڈین ربڑ (SBR)، SEBS، پولی وینیل کلورائڈ (PVC)، نائٹریل ربڑ (NBR)، سلیکون ربڑ اور ایتھائل سیلولوز، مطلوبہ کارکردگی کو پورا کرنے کے لیے .

دو

ان سیٹو پولر – نان پولر کنورژن اسکیم

اس مقالے میں، ایک نئی قسم کا بائنڈر متعارف کرایا گیا ہے، جو مشینی کے دوران الیکٹروڈ کی قطبیت کو پروٹیکشن-ڈی-پروٹیکشن کیمسٹری کے ذریعے تبدیل کر سکتا ہے۔ اس بائنڈر کے قطبی فنکشنل گروپس کو نان پولر ٹیرٹ بٹائل فنکشنل گروپس کے ذریعے محفوظ کیا جاتا ہے، اس بات کو یقینی بناتے ہوئے کہ الیکٹروڈ پیسٹ کی تیاری کے دوران بائنڈر کو سلفائیڈ الیکٹرولائٹ (اس صورت میں LPSCl) کے ساتھ ملایا جا سکے۔ پھر گرمی کے علاج کے ذریعے، یعنی الیکٹروڈ کے خشک کرنے کے عمل کے ذریعے، پولیمر بائنڈر کے tert-butyl فنکشنل گروپ کو تھرمل تقسیم کیا جا سکتا ہے، تاکہ تحفظ کے مقصد کو حاصل کیا جا سکے، اور آخر میں پولر بائنڈر حاصل کیا جا سکے۔ تصویر A دیکھیں۔

تصویر

BR (butadiene ربڑ) کو الیکٹروڈ کی مکینیکل اور الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کا موازنہ کرکے سلفائیڈ آل سالڈ اسٹیٹ بیٹری کے لیے پولیمر بائنڈر کے طور پر منتخب کیا گیا تھا۔ آل سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کی مکینیکل اور الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کو بڑھانے کے علاوہ، یہ تحقیق پولیمر بائنڈر ڈیزائن کے لیے ایک نیا نقطہ نظر کھولتی ہے، جو کہ الیکٹروڈ کو مناسب اور مطلوبہ حالت میں رکھنے کے لیے تحفظ-ڈی-پروٹیکشن-کیمیکل اپروچ ہے۔ الیکٹروڈ مینوفیکچرنگ کے مختلف مراحل۔

اس کے بعد، پولیٹرٹ-بوٹیلاکریلیٹ (ٹی بی اے) اور اس کے بلاک کوپولیمر، پولیٹرٹ-بوٹیلاکریلیٹ – بی پولی 1، 4-بوٹادیئن (ٹی بی اے-بی- بی آر)، جن کے کاربو آکسیلک ایسڈ فنکشنل گروپس تھرمولائزڈ ٹی-بائٹل گروپ کے ذریعہ محفوظ ہیں، کو منتخب کیا گیا۔ تجربہ. درحقیقت، TBA PAA کا پیش خیمہ ہے، جو عام طور پر موجودہ لتیم آئن بیٹریوں میں استعمال ہوتا ہے، لیکن اس کی قطبیت کی مماثلت کی وجہ سے سلفائیڈ پر مبنی آل سالڈ لتیم بیٹریوں میں استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ PAA کی مضبوط قطبیت سلفائیڈ الیکٹرولائٹس کے ساتھ پرتشدد ردعمل ظاہر کر سکتی ہے، لیکن T-butyl کے حفاظتی کاربو آکسیلک ایسڈ فنکشنل گروپ کے ساتھ، PAA کی قطبیت کو کم کیا جا سکتا ہے، جس سے یہ غیر قطبی یا کمزور قطبی سالوینٹس میں تحلیل ہو سکتا ہے۔ ہیٹ ٹریٹمنٹ کے بعد، ٹی بٹائل ایسٹر گروپ کو آئسوبیٹین جاری کرنے کے لیے گل جاتا ہے، جس کے نتیجے میں کاربو آکسیلک ایسڈ بنتا ہے، جیسا کہ شکل B میں دکھایا گیا ہے۔ دو پولیمر غیر محفوظ شدہ مصنوعات کی نمائندگی (محروم) TBA اور (غیر محفوظ) TBA- سے ہوتی ہے۔ B-BR

تصویر

آخر میں، paA جیسا بائنڈر NCM کے ساتھ اچھی طرح بانڈ کر سکتا ہے، جبکہ سارا عمل صورتحال میں ہوتا ہے۔ یہ سمجھا جاتا ہے کہ یہ پہلی بار ہے کہ ایک ان سیٹو پولرٹی کنورژن اسکیم کو آل سالڈ سٹیٹ لیتھیم بیٹری میں استعمال کیا گیا ہے۔

جہاں تک ہیٹ ٹریٹمنٹ کے درجہ حرارت کا تعلق ہے، 120 ℃ پر کوئی واضح بڑے پیمانے پر نقصان نہیں دیکھا گیا، جب کہ بٹائل گروپ کا متعلقہ ماس 15 گھنٹے کے بعد 160 ℃ پر کھو گیا۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ ایک خاص درجہ حرارت ہے جس پر بوٹیل کو ہٹایا جا سکتا ہے (حقیقی پیداوار میں، درجہ حرارت کا یہ وقت بہت طویل ہے، آیا پیداوار کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے زیادہ مناسب درجہ حرارت یا حالت ہے، اس پر مزید تحقیق اور بحث کی ضرورت ہے)۔ ڈیپروٹیکشن سے پہلے اور بعد میں مواد کے Ft-ir نتائج نے یہ بھی ظاہر کیا کہ ٹھوس الیکٹرولائٹ نے ڈیپروٹیکشن کے عمل میں مداخلت نہیں کی۔ چپکنے والی فلم کو ڈیپروٹیکشن سے پہلے اور بعد میں چپکنے والی کے ساتھ بنایا گیا تھا، اور نتیجہ یہ ظاہر کرتا ہے کہ ڈیپروٹیکشن کے بعد چپکنے والی مائع جمع کرنے والے کے ساتھ مضبوط چپکتی ہے۔ ڈیپروٹیکشن سے پہلے اور بعد میں بائنڈر اور الیکٹرولائٹ کی مطابقت کو جانچنے کے لیے، XRD اور رامان کا تجزیہ کیا گیا، اور نتائج سے معلوم ہوا کہ LPSCl ٹھوس الیکٹرولائٹ ٹیسٹ شدہ بائنڈر کے ساتھ اچھی مطابقت رکھتا ہے۔

اگلا، ایک آل سالڈ اسٹیٹ بیٹری بنائیں اور دیکھیں کہ یہ کیسا کارکردگی دکھاتی ہے۔ NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ بائنڈر 2% کا استعمال کرتے ہوئے، پول شیٹ کی سٹرپنگ طاقت ظاہر کرتی ہے کہ جب بائنڈر tBA-B-BR استعمال کیا جاتا ہے تو اسٹرپنگ طاقت سب سے زیادہ ہوتی ہے (جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے)۔ دریں اثنا، اتارنے کے وقت کا اثر اتارنے کی طاقت پر بھی پڑتا ہے۔ غیر محفوظ شدہ TBA الیکٹروڈ شیٹ ٹوٹنے والی اور آسانی سے فریکچر ہے، لہذا بیٹری کی کارکردگی کو جانچنے کے لیے TBA-B-BR اچھی لچک اور اعلی چھلکے والی طاقت کے ساتھ مرکزی بائنڈر کے طور پر منتخب کیا جاتا ہے۔

شکل 1. مختلف بائنڈر کے ساتھ چھلکے کی طاقت

بائنڈر خود آئنک انسولیٹنگ ہے۔ آئنک چالکتا پر بائنڈر کے اضافے کے اثر کا مطالعہ کرنے کے لیے، تجربات کے دو گروپ کیے گئے، ایک گروپ جس میں 97.5% الیکٹرولائٹ +2.5% بائنڈر اور دوسرا گروپ جس میں کوئی بائنڈر نہیں تھا۔ یہ پایا گیا کہ بائنڈر کے بغیر آئنک چالکتا 4.8×10-3 SCM-1 تھی، اور بائنڈر کے ساتھ چالکتا بھی 10-3 آرڈر کی شدت تھی۔ TBA-B-BR کا الیکٹرو کیمیکل استحکام CV ٹیسٹ سے ثابت ہوا۔

تین

آدھی بیٹری اور پوری بیٹری کی کارکردگی

بہت سے تقابلی ٹیسٹوں سے پتہ چلتا ہے کہ غیر محفوظ شدہ بائنڈر بہتر چپکتا ہے اور اس کا لتیم آئنوں کی منتقلی پر کوئی اثر نہیں ہوتا ہے۔ الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کو جانچنے کے لیے مختلف بائنڈر سے بنے آدھے سیل کا استعمال کرتے ہوئے، مختلف تجرباتی آدھے سیل کو بالترتیب بائنڈر کے ساتھ ملا کر مثبت، ٹھوس الیکٹرولائٹ اور لی کا کوئی بائنڈر نہیں – سنگل فیکٹر کے تجربات کے الیکٹروڈ میں، بائنڈر کے ساتھ نہیں ملا ہوا ٹھوس الیکٹرولائٹ میں، یہ ثابت کرنے کے لئے کہ انوڈ بائنڈر پر مختلف اثر و رسوخ ہے۔ اس کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کے نتائج ذیل کی تصویر میں دکھائے گئے ہیں:

تصویر

اوپر کی تصویر میں: a. جب مثبت سطح کی کثافت 8mg/cm2 ہے تو مختلف بائنڈرز کی نصف سیل سائیکل کارکردگی ہے، اور B مختلف بائنڈرز کی نصف سیل سائیکل کارکردگی ہے جب مثبت سطح کی کثافت 16mg/cm2 ہے۔ مندرجہ بالا نتائج سے یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ (غیر محفوظ شدہ) TBA-B-BR کی بیٹری سائیکل کی کارکردگی دیگر بائنڈرز کے مقابلے میں نمایاں طور پر بہتر ہے، اور سائیکل ڈایاگرام کا موازنہ چھلکے کی طاقت کے خاکے سے کیا جاتا ہے، جو ظاہر کرتا ہے کہ کھمبے کی میکانکی خصوصیات سائیکل کی کارکردگی کی کارکردگی میں اہم کردار.

تصویر

بائیں شکل سائیکل سے پہلے NCM711/ Li-IN نصف سیل کا EIS دکھاتی ہے، اور دائیں شکل 0.1 ہفتوں کے لیے 50c کے سائیکل کے بغیر آدھے سیل کا EIS دکھاتی ہے۔ بالترتیب TBA-B-BR اور BR بائنڈر استعمال کرنے والے نصف سیل کا EIS (غیر محفوظ)۔ EIS کے خاکے سے یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے:

1. اس بات سے کوئی فرق نہیں پڑتا ہے کہ کتنے سائیکل ہیں، ہر بیٹری کی الیکٹرولائٹ پرت RSE تقریباً 10 ω cm2 ہے، جو الیکٹرولائٹ LPSCl 2 کی موروثی حجم مزاحمت کی نمائندگی کرتی ہے۔ سائیکل کے دوران چارج ٹرانسفر مائبادا (RCT) میں اضافہ ہوا، لیکن RCT کے استعمال میں اضافہ BR بائنڈر tBA-B-BR بائنڈر کا استعمال کرتے ہوئے اس سے نمایاں طور پر زیادہ تھا۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ BR بائنڈر کا استعمال کرتے ہوئے فعال مادوں کے درمیان بانڈنگ زیادہ مضبوط نہیں تھی، اور سائیکل میں ڈھیلا پن تھا۔

تصویر

SEM کا استعمال مختلف ریاستوں میں قطبی ٹکڑوں کے کراس سیکشن کا مشاہدہ کرنے کے لیے کیا گیا تھا، اور نتائج اوپر دی گئی تصویر میں دکھائے گئے ہیں: a۔ گردش سے پہلے Tba-b-br (منحرف)؛ B. گردش سے پہلے BR؛ C. TBA-B-BR 25 ہفتوں کے بعد (منحرف ہونا)؛ D. 25 ہفتوں کے بعد BR;

سائیکل سے پہلے تمام الیکٹروڈز کو فعال ذرات کے درمیان قریبی رابطے کا مشاہدہ کیا جا سکتا ہے، صرف چھوٹے سوراخ دیکھ سکتے ہیں، لیکن 25 ہفتوں کے چکر کے بعد، واضح تبدیلی دیکھ سکتے ہیں، جو c (ٹیک آف) ایسوسی ایٹس میں استعمال ہوتا ہے – b – BR زیادہ تر ذرات کی مثبت سرگرمی یا کوئی شگاف نہیں، اور BR بائنڈر پارٹیکلز کی الیکٹروڈ سرگرمی کا استعمال کرتے ہوئے درمیان میں بہت سی دراڑیں ہیں، جیسا کہ D کے پیلے حصے میں دکھایا گیا ہے، اس کے علاوہ، الیکٹرولائٹ اور NCM ذرات زیادہ سنجیدگی سے الگ ہو جاتے ہیں، جو بیٹری کی اہم وجوہات ہیں۔ کارکردگی کشینا.

تصویر

آخر میں، پوری بیٹری کی کارکردگی کی تصدیق کی جاتی ہے. مثبت الیکٹروڈ NCM711/ منفی الیکٹروڈ گریفائٹ پہلے چکر میں 153mAh/g تک پہنچ سکتا ہے اور 85.5 چکروں کے بعد 45% برقرار رکھ سکتا ہے۔

چار

ایک مختصر خلاصہ

آخر میں، تمام ٹھوس سٹیٹ لیتھیم بیٹریوں میں، فعال مادوں کے درمیان ٹھوس رابطہ، اعلیٰ مکینیکل خصوصیات اور انٹرفیس کا استحکام اعلی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی حاصل کرنے کے لیے سب سے اہم ہیں۔