लिथियम आयन बैटरियों के लिए 3डी पोरस कॉपर फ़ॉइल पर शोध

लिथियम आयन बैटरियां, जो अपनी सुरक्षा, कम लागत और उत्कृष्ट प्रदर्शन के लिए जानी जाती हैं, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण प्रणालियों, इलेक्ट्रिक वाहनों और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं, जो उन्हें उत्कृष्ट माध्यमिक ऊर्जा भंडारण उपकरण बनाती हैं। एक सामान्य लिथियम आयन बैटरी में एक एनोड, एक कैथोड, एक विभाजक, इलेक्ट्रोलाइट और वर्तमान संग्राहक होते हैं। सामान्य एनोड सामग्रियों में LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄, आदि शामिल हैं, जबकि ग्रेफाइट का उपयोग मुख्य रूप से कैथोड के लिए किया जाता है। ऊर्जा घनत्व जैसे प्रदर्शन मापदंडों को बेहतर बनाने के लिए, कैथोड ग्रेफाइट को अक्सर SiOₓ जैसी सामग्री के साथ डोप किया जाता है। इस संदर्भ में लिथियम आयन बैटरियों की सामग्री पर व्यापक शोध किया गया है।

कॉपर फ़ॉइल, अपनी उत्कृष्ट चालकता और यांत्रिक गुणों के साथ, वर्तमान में लिथियम आयन बैटरियों में नकारात्मक इलेक्ट्रोड वर्तमान कलेक्टर के लिए पसंदीदा विकल्प है। हाल के वर्षों में, कई शोधकर्ता बैटरी विकास को समायोजित करने के लिए सक्रिय रूप से नए प्रकार के वर्तमान संग्राहकों की तलाश कर रहे हैं। बैटरी एनोड के लिए उत्पादन प्रक्रिया में तांबे की पन्नी की सतह पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के तैयार घोल को समान रूप से कोटिंग करना शामिल है, इसके बाद अंतिम नकारात्मक इलेक्ट्रोड उत्पाद बनाने के लिए इसे सुखाना, रोल करना, काटना और अन्य चरण शामिल हैं। इसलिए, तांबे की पन्नी को न केवल चालकता, सतह खुरदरापन और चमक के लिए प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए, बल्कि तन्य शक्ति और बढ़ाव जैसे यांत्रिक गुणों के संबंध में प्रसंस्करण आवश्यकताओं को भी पूरा करना चाहिए। इसके अलावा, उच्च -ऊर्जा-घनत्व वाले नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री जैसे सिलिकॉन{7}कार्बन (SiC), लिथियम (Li), टिन (Sn), और एंटीमनी (Sb) के अनुप्रयोग के साथ, इन सामग्रियों का समर्थन करने वाले तांबे की पन्नी पर अतिरिक्त मांग रखी जाती है। हाल के वर्षों में, कई शोधकर्ताओं ने नकारात्मक इलेक्ट्रोड वर्तमान कलेक्टर कॉपर फ़ॉइल के परिप्रेक्ष्य से साइकिल चलाने के दौरान SiC, लिथियम धातु और अन्य नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों में मात्रा में परिवर्तन और डेंड्राइट गठन जैसे मुद्दों को कम करने और हल करने का प्रयास किया है। कुछ अध्ययनों से संकेत मिलता है कि छिद्रपूर्ण संरचना तांबे की पन्नी विशिष्ट सतह क्षेत्र को प्रभावी ढंग से बढ़ा सकती है, वर्तमान कलेक्टर और सक्रिय सामग्री के बीच संपर्क क्षेत्र को बढ़ा सकती है, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के विस्तार और संकुचन के लिए बफर स्थान प्रदान कर सकती है, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के अलगाव को रोकने के लिए आसंजन बढ़ा सकती है, और इस तरह बैटरी के साइक्लिंग प्रदर्शन में सुधार कर सकती है। झरझरा संरचना लिथियम धातु के चार्ज/डिस्चार्ज चक्र के दौरान लिथियम डेंड्राइट के गठन को भी दबा सकती है, जिससे डेंड्राइट गठन से उत्पन्न होने वाली सुरक्षा चिंताओं का समाधान हो सकता है।

झरझरा तांबे की पन्नी की तैयारी विधि न केवल अंतिम उत्पाद की चालकता, हल्की प्रकृति और सक्रिय सामग्री लोडिंग क्षमता जैसे गुणों को निर्धारित करती है, बल्कि यह भी निर्धारित करती है कि क्या विधि सरल, व्यवहार्य है, परिपक्व उपकरणों को नियोजित करती है, और उत्पादन के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य है, बड़े पैमाने पर उत्पादन प्राप्त करने के लिए प्रमुख कारक हैं। यह पेपर झरझरा तांबे के वर्तमान संग्राहकों के लिए तैयारी तकनीकों की अनुसंधान स्थिति का सारांश देता है, जिसमें बैटरी प्रदर्शन पर उनके प्रभाव के साथ-साथ टेम्पलेट विधियां, डीलॉयिंग, पाउडर सिंटरिंग, रासायनिक विधियां और तांबे की जाली बुनाई शामिल है। यह 3डी पोरस कॉपर करंट कलेक्टरों के भविष्य के विकास की संभावनाएं भी प्रदान करता है।

विभिन्न तैयारी विधियों के परिणामस्वरूप छिद्रपूर्ण तांबे के छिद्र आकार, आकार और सरंध्रता में भिन्नता होती है। वर्तमान मुख्य तैयारी विधियों में शामिल हैं: तांबे की पन्नी पर सीधे सूक्ष्म {{1}के माध्यम से {{2}छेद बनाने के लिए CO₂ लेजर और मुद्रित टेम्पलेट का उपयोग करना; फोम जैसे छिद्र बनाने के लिए हाइड्रोजन बबल टेम्प्लेट या डेक्सट्रान टेम्प्लेट जैसी प्रक्रियाओं का उपयोग करना; अनियमित छिद्र बनाने के लिए डीलॉयिंग और पाउडर सिंटरिंग का उपयोग करना; जालीदार छिद्र बनाने के लिए तांबे के तार बुनना; और सतह पर रेशेदार कंकाल छिद्र तैयार करने के लिए रासायनिक तरीकों का उपयोग करना। छिद्रों का आकार, आकार, सरंध्रता आदि, तैयारी प्रक्रिया से महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित होते हैं, जिससे प्रदर्शन में काफी अंतर होता है।

लिथियम आयन बैटरियों में, कॉपर फ़ॉइल नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए समर्थन संरचना और वर्तमान संग्राहक दोनों के रूप में कार्य करता है। इसकी सतह गतिविधि, विद्युत चालकता, ऑक्सीकरण प्रतिरोध और स्वयं का वजन सीधे ऊर्जा घनत्व और साइक्लिंग प्रदर्शन जैसे बैटरी संकेतकों को प्रभावित करता है। लिथियम आयन बैटरियों की बढ़ती मांग के साथ, SiC, Sn और Li धातु जैसे नए नकारात्मक इलेक्ट्रोडों पर बड़े पैमाने पर शोध किया जा रहा है, जो ग्रेफाइट से कहीं अधिक सैद्धांतिक क्षमता प्रदान करते हैं। हालाँकि, इन नई नकारात्मकताओं का उपयोग प्रमुख चुनौतियाँ प्रस्तुत करता है, जैसे चार्ज/डिस्चार्ज के दौरान महत्वपूर्ण मात्रा में परिवर्तन और लिथियम डेंड्राइट गठन की संवेदनशीलता। साधारण फ्लैट इलेक्ट्रोलाइटिक कॉपर फ़ॉइल की तुलना में, कई अध्ययनों से पता चलता है कि 3डी छिद्रपूर्ण कॉपर फ़ॉइल नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की मात्रा विस्तार/संकुचन समस्याओं को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है, जिससे बैटरी ऊर्जा घनत्व और दर क्षमता में सुधार होता है।

3डी स्केलेटन कॉपर करंट कलेक्टर्स से सुसज्जित लिथियम मेटल बैटरियों के विद्युत प्रदर्शन का परीक्षण करने से पता चला कि साधारण कॉपर फ़ॉइल वाली बैटरियों में 400 चक्रों के बाद शॉर्ट सर्किट का अनुभव हुआ। यह साइकिल चलाने के दौरान लिथियम डेंड्राइट के निर्माण के कारण था, जिसने विभाजक को छेद दिया, जिससे शॉर्ट सर्किट के साथ-साथ साइकिल चलाने के दौरान गंभीर वोल्टेज हिस्टैरिसीस हो गया। इसके विपरीत, 3डी लिथियम बैटरी कॉपर फ़ॉइल से सुसज्जित लिथियम धातु बैटरियों में 600 चक्रों के बाद कोई शॉर्ट सर्किट घटना नहीं देखी गई, जो साइकिल चलाने के दौरान लिथियम डेंड्राइट के महत्वपूर्ण दमन का संकेत देती है, बैटरी शॉर्ट सर्किट से बचती है और इसके परिणामस्वरूप अधिक समान वोल्टेज परिवर्तन होते हैं। इसलिए, 3डी स्केलेटन कॉपर करंट कलेक्टर लिथियम मेटल बैटरियों में लिथियम डेंड्राइट समस्या को प्रभावी ढंग से हल कर सकते हैं, जिससे इन बैटरियों के लिए सुरक्षा गारंटी मिलती है।

3डी झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहक अगली पीढ़ी के लिथियम आयन बैटरी नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के व्यावहारिक अनुप्रयोग के दौरान उत्पन्न होने वाले कुछ प्रमुख मुद्दों को प्रभावी ढंग से संबोधित कर सकते हैं, जिससे ली, एसएन और सीआईसी जैसी सामग्रियों का औद्योगिक अनुप्रयोग संभव हो जाता है। 3डी झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहकों पर अनुसंधान नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों के प्रदर्शन से निकटता से संबंधित है। इसलिए, 3डी झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहकों के लिए तैयारी के तरीकों का चयन करना आवश्यक है जो विशिष्ट नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए औद्योगिकीकरण करना आसान है। विस्तृत अध्ययन में छिद्र के आकार, 3डी झरझरा तांबे के वर्तमान कलेक्टर के छिद्र के आकार और ऊर्जा घनत्व, साइकिल चालन दक्षता और चक्र गणना जैसे संबंधित बैटरी प्रदर्शन मेट्रिक्स पर प्रक्रिया स्थितियों के प्रभाव की जांच की जानी चाहिए। इसके आधार पर, 3डी झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहकों के औद्योगीकरण को प्राप्त करने के लिए पूर्ण उत्पादन उपकरण विकसित किया जाना चाहिए। वर्तमान में, अधिकांश शोध बुनियादी अनुसंधान चरण में बने हुए हैं, इस बात पर ध्यान केंद्रित किया गया है कि तैयार किए गए 3डी झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहक प्रभावी हैं या नहीं।

व्यापक शोध यह साबित करता है कि झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहक तांबे की पन्नी वर्तमान कलेक्टर विकास के लिए महत्वपूर्ण भविष्य की दिशाओं में से एक है। 3डी झरझरा तांबा वर्तमान संग्राहकों और नई नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए तैयारी के तरीकों पर महत्वपूर्ण शोध अनिवार्य रूप से लिथियम आयन बैटरियों के विकास को बढ़ावा देगा। तैयारी प्रक्रिया और विधि विशिष्ट सतह क्षेत्र, यांत्रिक गुण, नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के आसंजन और 3 डी छिद्रपूर्ण तांबे वर्तमान कलेक्टर की नकारात्मक इलेक्ट्रोड चालकता निर्धारित करती है। मौजूदा साहित्य में लिथियम आयन बैटरी के प्रदर्शन पर 3डी झरझरा तांबे के वर्तमान कलेक्टरों के विशिष्ट प्रभाव पर गहन शोध का अभाव है, और संबंधित तैयारी विधियों के औद्योगीकरण में अन्वेषण में तेजी लाने की आवश्यकता है। भविष्य में, कम द्रव्यमान, ट्यून करने योग्य छिद्र आकार, उच्च चालकता और अच्छे यांत्रिक गुणों के साथ छिद्रपूर्ण तांबा फ़ॉइल वर्तमान कलेक्टरों का उत्पादन करने के लिए कम ऊर्जा खपत, परिपक्व उपकरण और आसान स्केलेबिलिटी के साथ तरीकों को ढूंढना नई लिथियम आयन बैटरी नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री विकसित करने की दिशा है, जो लिथियम आयन बैटरी प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण महत्व रखती है।

संदर्भ
चीन राष्ट्रीय ज्ञान अवसंरचना (सीएनकेआई)