الیکٹرک گاڑیوں اور توانائی ذخیرہ کرنے والے آلات کی تیزی سے مقبولیت کے ساتھ، پاور بیٹریوں کی مارکیٹ کی مانگ نہ صرف توانائی کی کثافت اور حفاظت کے بارے میں ہے، بلکہ تیزی سے چارج کرنے کی صلاحیت اور لمبی عمر کے بارے میں بھی ہے۔ روایتی مائع الیکٹرولائٹ لیتھیم آئن بیٹریاں اکثر تیز رفتار چارجنگ کے دوران حفاظتی خطرات اور صلاحیت میں اضافے کا سامنا کرتی ہیں، جب کہ تمام سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں (ASSBs) نے سالڈ اسٹیٹ الیکٹرولائٹس کی حفاظت اور تھرمل استحکام میں اپنے ممکنہ فوائد کی وجہ سے اعلیٰ صنعت کی توجہ مبذول کی ہے۔
تاہم، اعلی توانائی کی کثافت پر ASSB کی تیز رفتار چارجنگ حاصل کرنا آسان کام نہیں ہے۔ روایتی ٹھوس الیکٹرولائٹس کو آئن کے محدود پھیلاؤ، الیکٹروڈ الیکٹرولائٹ انٹرفیس کی رکاوٹ میں اضافہ، اور تیز رفتار چارجنگ کے دوران اعلی شرح کے حالات میں جامع الیکٹروڈ کے ساختی انحطاط کا سامنا کرنا پڑتا ہے، جو صلاحیت میں کمی اور سائیکل کی زندگی کی خرابی کا باعث بنتے ہیں۔ پچھلے مطالعات نے آئن چالکتا کو بہتر بنانے، انٹرفیس کو بہتر بنانے، اور الیکٹروڈز کو ڈیزائن کرنے پر توجہ مرکوز کی ہے۔ تاہم، طویل سائیکل کی زندگی کو برقرار رکھتے ہوئے عملی پیمانے اور ہائی ایریا لوڈنگ الیکٹروڈز میں تیز چارجنگ حاصل کرنا ایک بڑا چیلنج ہے۔
یہ مطالعہ NCM (LiNixMnyCozO2) مثبت الیکٹروڈ اور Li6PS5Cl ٹھوس الیکٹرولائٹ کے مجموعہ نظام پر مرکوز ہے۔ فائن الیکٹروڈ انجینئرنگ اور انٹرفیس آپٹیمائزیشن کے ذریعے، یہ تیز رفتار (جیسے 15mA/cm2) کو موٹے الیکٹروڈز اور زیادہ بوجھ کے حالات میں چارج کرنے کی کوشش کرتا ہے، جبکہ ہزاروں سائیکلوں تک بیٹری کے استحکام کو برقرار رکھتا ہے۔ دوسرے لفظوں میں، تحقیقی ٹیم کا مقصد تمام سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے لیے ایک جامع ڈیزائن گائیڈ لائن تیار کرنا ہے، جس سے وہ اعلیٰ توانائی کی کثافت کا تعاقب کرتے ہوئے اعلی کارکردگی اور کم نقصان کے ساتھ تیز رفتار چارجنگ حاصل کر سکیں۔
1. تجرباتی ڈیزائن اور الیکٹروڈ کی تعمیر
اس مطالعہ نے NCM کو مثبت الیکٹروڈ ایکٹیو میٹریل (CAM)، Li6PS5Cl (LPSC) کو ٹھوس الیکٹرولائٹ کے طور پر منتخب کیا، اور کنڈکٹیو اور بائنڈنگ ایجنٹس (جیسے CNF کاربن نانوفائبرز) اور دیگر اجزاء کے ساتھ ملایا۔ بنیادی خیال یہ ہے کہ ڈیزائن کے معیار (i) سے (ix) کی ایک سیریز کے ذریعے 3-الیکٹروڈ ڈیزائن کے لیے ایک مکمل سالڈ اسٹیٹ بیٹری اسمبلی اسکیم بنانا ہے۔ ان ڈیزائن اصولوں میں شامل ہیں:
مناسب ذرہ سائز اور تقسیم آئن ٹرانسپورٹ چینلز اور الیکٹران کی ترسیل کے راستوں کو زیادہ یکساں بناتی ہے۔
اعلی رقبہ کی گنجائش اور مستحکم انٹرفیس رابطہ حاصل کرنے کے لیے الیکٹروڈ کی موٹائی، پورسٹی، اور کمپیکشن کثافت کو بہتر بنائیں۔
مثبت الیکٹروڈ کے مائیکرو اسٹرکچر اور پارٹیکل ریشو کو کنٹرول کریں تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ ہائی ریٹ چارجنگ حالات میں آئن کے پھیلاؤ میں نمایاں طور پر رکاوٹ نہیں ہے۔
تحقیقی ٹیم نے مختلف سائیکلنگ کے اوقات میں ڈیزائن کردہ الیکٹروڈ کی ساختی استحکام اور پوروسیٹی تبدیلیوں کو خصوصیت کے طریقوں جیسے SEM، XRD، XPS، اور FIB-SEM 3D تعمیر نو کے ذریعے درست کیا۔
2. فاسٹ چارجنگ پرفارمنس ٹیسٹ
مطالعہ نے پہلے ایک 3-الیکٹروڈ آل سالڈ اسٹیٹ بیٹری پر NCM/LPSC الیکٹرولائٹ اور Li ان منفی الیکٹروڈ کنفیگریشن کو 30 ڈگری پر استعمال کرتے ہوئے تیز رفتار چارجنگ ٹیسٹ کئے۔ چارجنگ کرنٹ کثافت بتدریج 1mA/cm2 سے بڑھ کر 15mA/cm2 ہو گئی (تقریباً 8C کی ہائی ریٹ چارجنگ کے مساوی)، اور کم کرنٹ کثافت (جیسے 1mA/cm2) کو ڈسچارج کے دوران استعمال کیا گیا تاکہ صلاحیت برقرار رکھنے اور سائیکل کی زندگی کا مشاہدہ کیا جا سکے۔ اعلی شرح چارج کرنے کے حالات.
نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ:
15 mA/cm2 کی اعلیٰ چارجنگ کی شرح پر، بیٹری اب بھی تقریباً 150/mAh/g (NMC ایکٹیو میٹریل پر مبنی) کی اعلیٰ صلاحیت حاصل کر سکتی ہے، جس کی مؤثر استعمال کی شرح 90% سے زیادہ ہے، اور چارجنگ کا وقت بہت زیادہ ہو سکتا ہے۔ تقریبا 8 منٹ تک مختصر. اس کا مطلب یہ ہے کہ 10% SOC سے 80% SOC تک تیز رفتار چارجنگ 10 منٹ کے اندر حاصل کی جا سکتی ہے، جو کہ تیز رفتار چارجنگ کے لیے الیکٹرک گاڑیوں کی صنعت کی توقعات کے قریب ہے۔
بیٹری مسلسل 3000 تیز رفتار چارجنگ سائیکلوں کے بعد 81% صلاحیت برقرار رکھتی ہے، جس کی کولمبک کارکردگی 99% کے قریب ہے، بہترین طویل سائیکل استحکام کا مظاہرہ کرتی ہے۔
اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ عقلی مائیکرو اسٹرکچر ڈیزائن اور مواد کے امتزاج کے ذریعے، نسبتاً کم درجہ حرارت (30 ڈگری) پر بھی تیز رفتار چارجنگ اور طویل عمر کے ساتھ ڈسچارج حاصل کیا جا سکتا ہے۔
3. مائکروسکوپک میکانزم اور اعلی شرح چارج اور خارج ہونے والے مادہ کا ساختی ارتقاء
اس طرح کی بہترین سائیکلنگ کارکردگی کو سمجھنے کے لیے، محققین نے FIB-SEM کا استعمال کرتے ہوئے کراس سیکشنل نمونے تیار کیے اور 10 اور 1000 سائیکلوں کے بعد 3D تعمیر نو کا تجزیہ کیا۔ نتیجے کے طور پر، یہ پتہ چلا کہ:
الیکٹروڈ کی ابتدائی پورسٹی تقریباً 3% ہے، اور 10 چکروں کے بعد، پوروسیٹی قدرے بڑھ کر 3.6% ہو جاتی ہے، اور 1000 چکروں کے بعد، یہ تقریباً 6.9% تک بڑھ جاتی ہے۔ اگرچہ porosity میں اضافہ ہوا ہے، یہ اب بھی قابل کنٹرول حد میں ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ ہائی ریٹ سائیکلنگ میں، مثبت الیکٹروڈ پارٹیکلز کا مائیکرو سٹرکچر مخصوص اخترتی اور تاکنا میں اضافہ سے گزرتا ہے، لیکن یہ ابھی تک شدید لاتعلقی یا انٹرفیس ڈیلامینیشن کا باعث نہیں بنا ہے۔
سطح کے ضمنی رد عمل کی تہوں کے بڑے جمع ہونے کا کوئی واضح نشان نہیں ہے۔ اگرچہ تمام ٹھوس الیکٹرولائٹ اور مثبت الیکٹروڈ ذرات کے درمیان انٹرفیس کا تناؤ اور مائیکرو کریکس ہو سکتا ہے، لیکن مناسب ذرات کے تناسب اور سخت پیکنگ کے طریقوں کے ذریعے سائیکل چلانے سے انٹرفیس کی رکاوٹ نمایاں طور پر نہیں بڑھتی ہے۔
یہ ساختی ارتقاء کا نمونہ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ آپٹمائزڈ کمپوزٹ الیکٹروڈز میں، یہاں تک کہ اگر ہائی ریٹ چارجنگ اور ڈسچارج کچھ مائیکرو پور کی توسیع اور ساختی تناؤ کی تبدیلیوں کا باعث بنتے ہیں، مجموعی طور پر کنڈکٹیو نیٹ ورک اب بھی نسبتاً مستحکم ہے۔
4. زیادہ بوجھ اور تیز رفتار حالات کی گہرائی سے تحقیق
عملی درخواست کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے، تحقیقی ٹیم نے مثبت الیکٹروڈ فعال مواد کی موٹائی اور لوڈنگ کی صلاحیت کو بڑھانے کی کوشش کی، اس طرح بیٹری کی مجموعی توانائی کی کثافت کو بہتر بنایا۔ نتیجہ:
جب مثبت الیکٹروڈ کی موٹائی تقریباً 70 µm سے بڑھ کر 140 µm اور 210 µm ہوجاتی ہے، تب بھی 50mA/cm2 پر چارجنگ ٹیسٹ کے ذریعے اعلیٰ صلاحیت کا استعمال اور سائیکلنگ کا استحکام حاصل کیا جا سکتا ہے۔ یہ بات قابل غور ہے کہ 210 µm موٹا مثبت الیکٹروڈ تقریباً 45 mg/cm2 کی لوڈنگ کی صلاحیت کے مساوی ہے، جو سالڈ اسٹیٹ بیٹریوں میں کافی اہم ہے۔
موٹے الیکٹروڈز پر تیز چارجنگ کا احساس اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ مادی ڈیزائن کی حکمت عملی ٹھوس الیکٹرولائٹس میں آئنوں کی عمودی بازی کی صلاحیت کو مؤثر طریقے سے بڑھاتی ہے اور اندرونی ذرات کے درمیان قریبی رابطہ برقرار رکھتی ہے، جس سے بازی چینلز میں آئن کی برقراری کو کم کرنے میں مدد ملتی ہے۔
اتنے زیادہ بوجھ والے الیکٹروڈز میں بھی، مناسب حرارتی حالات (80 ڈگری) میں 10 منٹ تک چارج کرنے سے فعال مواد کا 85 فیصد تک استعمال ہو سکتا ہے۔ خارج ہونے والا مادہ سائیکلنگ کی اچھی خصوصیات کو بھی ظاہر کرتا ہے۔ یہ مستقبل میں بڑے پیمانے پر برقی گاڑیوں کی بیٹری ایپلی کیشنز کے لیے ایک قابل عمل راستہ فراہم کرتا ہے: موٹے الیکٹروڈز اور زیادہ بڑے پیمانے پر بوجھ کا استعمال کرتے ہوئے، تیز رفتار چارجنگ کی کارکردگی اور عمر کی قربانی کے بغیر زیادہ توانائی کی پیداوار حاصل کی جا سکتی ہے۔
5. الیکٹرو کیمیکل رکاوٹ اور کارکردگی میں کمی کا تجزیہ
کارکردگی کی تبدیلیوں کے طریقہ کار کا گہرائی سے تجزیہ کرنے کے لیے، محققین نے سائیکل چلانے سے پہلے اور بعد میں بیٹری پر موجودہ مائبادا سپیکٹروسکوپی (EIS) کی پیمائش کی:
ابتدائی چند چکروں کے بعد، بیٹری کی رکاوٹ میں قدرے اضافہ ہوا، لیکن پھر ہزاروں چکروں میں مستحکم ہو گیا۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ اگر ابتدائی طور پر مائیکرو انٹرفیس ایڈجسٹمنٹ ہے تو، بنیادی استحکام کا عمل ابتدائی سائیکل میں مکمل ہو چکا ہے۔
ضمنی رد عمل کی تہوں یا آئن کو روکنے والے خصوصیت کے سگنلز کی کوئی واضح حد سے زیادہ نمو نہیں ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ احتیاط سے ڈیزائن کیا گیا پارٹیکل ترتیب اور انٹرفیس کا ڈھانچہ طویل مدتی زیادہ بوجھ اور اعلی شرح کے حالات میں موثر ٹرانسمیشن چینلز کو برقرار رکھ سکتا ہے۔
مزید تجزیہ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ تیز رفتار چارجنگ کے حالات میں، آئن کے پھیلاؤ کی شرح ایک محدود عنصر بن جاتی ہے، اور اس مطالعہ کا ڈیزائن کامیابی کے ساتھ اس حد کو کم کرتا ہے، جس سے آئنوں کو الیکٹرولائٹ پارٹیکل انٹرفیس سے تیزی سے گزرنے، استعمال میں بہتری اور پولرائزیشن کو کم کرنے کی اجازت ملتی ہے۔
خلاصہ
اس مطالعے نے تمام ٹھوس حالت کی بیٹریوں کے لیے اعلی توانائی کی کثافت، تیز رفتار چارجنگ، اور طویل عمر کے حصول کے لیے ڈیزائن کے معیار کا ایک سیٹ قائم کیا ہے، اور تجربات کے ذریعے ان کی تاثیر کا مظاہرہ کیا ہے۔ NMC مثبت الیکٹروڈ میٹریل اور سلفائیڈ سالڈ الیکٹرولائٹ (LPSC) کے امتزاج کو بہتر بنا کر، ذرات کو معقول طریقے سے تقسیم کرکے، الیکٹروڈ کی پورسٹی اور موٹائی کو کنٹرول کرکے، اعلیٰ صلاحیت (~150 mAh/g) اور طویل عمر (81%) کے ساتھ 30 ڈگری پر بہترین کارکردگی حاصل کی گئی۔ 3000 سائیکلوں کے بعد صلاحیت برقرار رکھنا) یہاں تک کہ جب 15 mA/cm2 پر چارج کیا جائے (تقریباً 8C کی شرح)۔ دریں اثنا، مثبت الیکٹروڈ کی موٹائی اور بوجھ کو بڑھا کر، اعلی SOC رینج (10% -80%) میں تیز رفتار چارجنگ اب بھی معتدل ہیٹنگ (80 ڈگری) کے ذریعے 10 منٹ کے اندر مکمل کی جا سکتی ہے۔