लिथियम-आयन बैटरियों को अलग करने की विफलता के लिए विश्लेषण विधि

लिथियम-आयन बैटरियों को अलग करने की विफलता के लिए विश्लेषण विधि

लिथियम-आयन बैटरियों की उम्र बढ़ने की विफलता एक आम समस्या है, और बैटरी के प्रदर्शन में कमी मुख्य रूप से सामग्री और इलेक्ट्रोड स्तर पर रासायनिक गिरावट प्रतिक्रियाओं के कारण होती है (चित्र 1)। इलेक्ट्रोड के क्षरण में इलेक्ट्रोड की सतह परत पर झिल्लियों और छिद्रों की रुकावट, साथ ही इलेक्ट्रोड दरारें या आसंजन की विफलता शामिल है; सामग्री क्षरण में कण सतहों पर फिल्म का निर्माण, कण टूटना, कण पृथक्करण, कण सतहों पर संरचनात्मक परिवर्तन, धातु तत्वों का विघटन और प्रवासन आदि शामिल हैं। उदाहरण के लिए, सामग्री के क्षरण से क्षमता में गिरावट हो सकती है और बैटरी स्तर पर प्रतिरोध बढ़ सकता है। इसलिए, विफलता तंत्र का विश्लेषण करने और बैटरी जीवन का विस्तार करने के लिए बैटरी के अंदर होने वाले क्षरण तंत्र की गहन समझ महत्वपूर्ण है। यह आलेख पुरानी लिथियम-आयन बैटरियों को अलग करने के तरीकों और बैटरी सामग्री का विश्लेषण और अलग करने के लिए उपयोग की जाने वाली भौतिक और रासायनिक परीक्षण तकनीकों का सारांश देता है।

चित्र 1 लिथियम-आयन बैटरियों में इलेक्ट्रोड और सामग्री क्षरण के लिए उम्र बढ़ने की विफलता तंत्र और सामान्य विश्लेषण विधियों का अवलोकन

1. बैटरी को अलग करने की विधि

पुरानी और विफल बैटरियों को अलग करने और विश्लेषण करने की प्रक्रिया चित्र 2 में दिखाई गई है, जिसमें मुख्य रूप से शामिल हैं:

(1) बैटरी पूर्व निरीक्षण;

(2) कट-ऑफ वोल्टेज या एक निश्चित एसओसी स्थिति का निर्वहन;

(3) नियंत्रित वातावरण में स्थानांतरण, जैसे सुखाने का कमरा;

(4) बैटरी को अलग करें और खोलें;

(5) विभिन्न घटकों को अलग करें, जैसे सकारात्मक इलेक्ट्रोड, नकारात्मक इलेक्ट्रोड, डायाफ्राम, इलेक्ट्रोलाइट, आदि;

(6) प्रत्येक भाग का भौतिक एवं रासायनिक विश्लेषण करें।

चित्र 2 पुरानी और ख़राब बैटरियों को अलग करना और उनका विश्लेषण करना

1.1 लिथियम-आयन बैटरियों को अलग करने से पहले उनका पूर्व निरीक्षण और गैर-विनाशकारी परीक्षण

कोशिकाओं को अलग करने से पहले, गैर-विनाशकारी परीक्षण विधियां बैटरी क्षीणन तंत्र की प्रारंभिक समझ प्रदान कर सकती हैं। सामान्य परीक्षण विधियों में मुख्य रूप से शामिल हैं:

(1) क्षमता परीक्षण: बैटरी की उम्र बढ़ने की स्थिति को आमतौर पर उसके स्वास्थ्य की स्थिति (एसओएच) से पहचाना जाता है, जो कि उम्र बढ़ने के समय टी पर बैटरी डिस्चार्ज क्षमता और समय टी = 0 पर डिस्चार्ज क्षमता का अनुपात है। इस तथ्य के कारण कि डिस्चार्ज क्षमता मुख्य रूप से तापमान, डिस्चार्ज गहराई (डीओडी), और डिस्चार्ज करंट पर निर्भर करती है, एसओएच की निगरानी के लिए आमतौर पर ऑपरेटिंग स्थितियों की नियमित जांच की आवश्यकता होती है, जैसे तापमान 25 डिग्री सेल्सियस, डीओडी 100% और डिस्चार्ज दर 1 सी .

(2) विभेदक क्षमता विश्लेषण (आईसीए): विभेदक क्षमता डीक्यू/डीवी-वी वक्र को संदर्भित करती है, जो वोल्टेज वक्र में वोल्टेज पठार और विभक्ति बिंदु को डीक्यू/डीवी शिखर में परिवर्तित कर सकती है। उम्र बढ़ने के दौरान डीक्यू/डीवी शिखर (चरम तीव्रता और चरम बदलाव) में बदलाव की निगरानी से सक्रिय सामग्री हानि/विद्युत संपर्क हानि, बैटरी रासायनिक परिवर्तन, डिस्चार्ज, अंडर चार्ज और लिथियम विकास जैसी जानकारी प्राप्त की जा सकती है।

(3) इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस): उम्र बढ़ने की प्रक्रिया के दौरान, बैटरी की प्रतिबाधा आमतौर पर बढ़ जाती है, जिससे धीमी गतिशीलता होती है, जो आंशिक रूप से क्षमता क्षय के कारण होती है। प्रतिबाधा में वृद्धि का कारण बैटरी के अंदर भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं के कारण होता है, जैसे प्रतिरोध परत में वृद्धि, जो मुख्य रूप से एनोड सतह पर एसईआई के कारण हो सकती है। हालाँकि, बैटरी प्रतिबाधा कई कारकों से प्रभावित होती है और समकक्ष सर्किट के माध्यम से मॉडलिंग और विश्लेषण की आवश्यकता होती है।

(4) पुरानी लिथियम-आयन बैटरियों का विश्लेषण करने के लिए दृश्य निरीक्षण, फोटो रिकॉर्डिंग और वजन भी नियमित संचालन हैं। ये निरीक्षण बैटरी की बाहरी विकृति या रिसाव जैसे मुद्दों को उजागर कर सकते हैं, जो उम्र बढ़ने के व्यवहार को भी प्रभावित कर सकते हैं या बैटरी की विफलता का कारण बन सकते हैं।

(5) एक्स-रे विश्लेषण, एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी और न्यूट्रॉन टोमोग्राफी सहित बैटरी इंटीरियर का गैर-विनाशकारी परीक्षण। सीटी बैटरी के अंदर के कई विवरणों को प्रकट कर सकती है, जैसे कि उम्र बढ़ने के बाद बैटरी के अंदर की विकृति, जैसा कि चित्र 3 और 4 में दिखाया गया है।

चित्र 3 लिथियम-आयन बैटरियों के गैर-विनाशकारी लक्षण वर्णन का उदाहरण। ए) जेली रोल बैटरियों की एक्स-रे ट्रांसमिशन छवियां; बी) 18650 बैटरी के पॉजिटिव टर्मिनल के पास फ्रंटल सीटी स्कैन।

चित्र 4 विकृत जेली रोल के साथ 18650 बैटरी का अक्षीय सीटी स्कैन

1.2. एक निश्चित एसओसी और नियंत्रित वातावरण में लिथियम-आयन बैटरियों को अलग करना

डिसएसेम्बली से पहले, बैटरी को चार्ज की निर्दिष्ट स्थिति (एसओसी) पर चार्ज या डिस्चार्ज किया जाना चाहिए। सुरक्षा के दृष्टिकोण से, गहरे डिस्चार्ज का संचालन करने की सिफारिश की जाती है (जब तक कि डिस्चार्ज वोल्टेज 0 वी न हो)। यदि डिस्सेम्बली प्रक्रिया के दौरान शॉर्ट सर्किट होता है, तो गहरे डिस्चार्ज से थर्मल रनवे का खतरा कम हो जाएगा। हालाँकि, गहरे डिस्चार्ज के कारण अवांछित भौतिक परिवर्तन हो सकते हैं। इसलिए, ज्यादातर मामलों में, डिससेम्बली से पहले बैटरी को SOC=0% पर डिस्चार्ज कर दिया जाता है। कभी-कभी, अनुसंधान उद्देश्यों के लिए, चार्ज की गई थोड़ी मात्रा में बैटरियों को अलग करने पर भी विचार करना संभव है।

बैटरी को अलग करने का काम आम तौर पर हवा और नमी के प्रभाव को कम करने के लिए नियंत्रित वातावरण में किया जाता है, जैसे कि सुखाने वाले कमरे या दस्ताने बॉक्स में।

1.3. लिथियम आयन बैटरी को अलग करने की प्रक्रिया और घटक पृथक्करण

बैटरी को अलग करने की प्रक्रिया के दौरान, बाहरी और आंतरिक शॉर्ट सर्किट से बचना आवश्यक है। जुदा करने के बाद, सकारात्मक, नकारात्मक, डायाफ्राम और इलेक्ट्रोलाइट को अलग करें। विशिष्ट डिस्सेम्बली प्रक्रिया को दोहराया नहीं जाएगा।

1.4. अलग किए गए बैटरी नमूनों की पोस्ट प्रोसेसिंग

बैटरी घटकों को अलग करने के बाद, किसी भी अवशिष्ट क्रिस्टलीय LiPF6 या गैर-वाष्पशील सॉल्वैंट्स को हटाने के लिए नमूने को एक विशिष्ट इलेक्ट्रोलाइट विलायक (जैसे डीएमसी) से धोया जाता है, जो इलेक्ट्रोलाइट के क्षरण को भी कम कर सकता है। हालाँकि, सफाई प्रक्रिया बाद के परीक्षण परिणामों को भी प्रभावित कर सकती है, जैसे धोने से विशिष्ट एसईआई घटकों का नुकसान हो सकता है, और डीएमसी रिंसिंग जो उम्र बढ़ने के बाद ग्रेफाइट सतह पर जमा इन्सुलेशन सामग्री को हटा देती है। लेखक के अनुभव के आधार पर, आमतौर पर नमूने से ट्रेस ली लवण को हटाने के लिए लगभग 1-2 मिनट के लिए शुद्ध विलायक के साथ दो बार धोना आवश्यक होता है। इसके अलावा, तुलनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए सभी डिस्सेम्बली विश्लेषणों को हमेशा एक ही तरीके से धोया जाता है।

आईसीपी-ओईएस विश्लेषण इलेक्ट्रोड से निकाली गई सक्रिय सामग्रियों का उपयोग कर सकता है, और यह यांत्रिक उपचार रासायनिक संरचना को नहीं बदलता है। एक्सआरडी का उपयोग इलेक्ट्रोड या स्क्रैप किए गए पाउडर सामग्री के लिए भी किया जा सकता है, लेकिन इलेक्ट्रोड में मौजूद कण अभिविन्यास और स्क्रैप किए गए पाउडर में इस अभिविन्यास अंतर के नुकसान से चरम शक्ति में अंतर हो सकता है।

सक्रिय सामग्रियों में दरारों का अध्ययन करके, संपूर्ण लिथियम-आयन बैटरी का एक क्रॉस-सेक्शन तैयार किया जा सकता है (जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है)। बैटरी को काटने के बाद, इलेक्ट्रोलाइट को हटा दिया जाता है, और फिर एपॉक्सी राल और मेटलोग्राफिक पॉलिशिंग चरणों के माध्यम से नमूना तैयार किया जाता है। सीटी इमेजिंग की तुलना में, बैटरी क्रॉस-सेक्शन का पता ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी, फोकस्ड आयन बीम (एफआईबी) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जो बैटरी के विशिष्ट भागों के लिए काफी उच्च रिज़ॉल्यूशन प्रदान करता है।

2. बैटरी को अलग करने के बाद सामग्रियों का भौतिक और रासायनिक विश्लेषण

चित्र 5 मुख्य बैटरियों की विश्लेषण योजना और संबंधित भौतिक और रासायनिक विश्लेषण विधियों को दर्शाता है। परीक्षण के नमूने एनोड, कैथोड, विभाजक, कलेक्टर या इलेक्ट्रोलाइट्स से आ सकते हैं। ठोस नमूने विभिन्न भागों से लिए जा सकते हैं: इलेक्ट्रोड सतह, बॉडी और क्रॉस-सेक्शन।

चित्र 5 लिथियम-आयन बैटरियों के आंतरिक घटक और भौतिक-रासायनिक लक्षण वर्णन विधियाँ

विशिष्ट विश्लेषण विधि चित्र 6 में दिखाई गई है, जिसमें शामिल है

(1) ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (चित्र 6ए)।

(2) स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम, चित्र 6बी)।

(3) ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम, चित्र 6सी)।

(4) ऊर्जा फैलाने वाली एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएक्स, चित्र 6डी) का उपयोग आमतौर पर नमूने की रासायनिक संरचना के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए एसईएम के संयोजन में किया जाता है।

(5) एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस, चित्र 6ई) सभी तत्वों (एच और हे को छोड़कर) के ऑक्सीकरण राज्यों और रासायनिक वातावरण के विश्लेषण और निर्धारण की अनुमति देता है। एक्सपीएस सतह संवेदनशील है और कण सतहों पर रासायनिक परिवर्तनों को चिह्नित कर सकता है। गहराई प्रोफाइल प्राप्त करने के लिए एक्सपीएस को आयन स्पटरिंग के साथ जोड़ा जा सकता है।

(6) इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा एमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (आईसीपी-ओईएस, चित्र 6एफ) का उपयोग इलेक्ट्रोड की मौलिक संरचना को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

(7) चमक उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी (जीडी-ओईएस, चित्र 6जी), गहराई विश्लेषण प्लाज्मा में उत्तेजित कणों द्वारा उत्सर्जित दृश्य प्रकाश का स्पटरिंग और पता लगाकर नमूने का मौलिक विश्लेषण प्रदान करता है। एक्सपीएस और सिम्स विधियों के विपरीत, जीडी-ओईएस गहन विश्लेषण कण सतह के आसपास तक सीमित नहीं है, बल्कि इलेक्ट्रोड सतह से कलेक्टर तक विश्लेषण किया जा सकता है। इसलिए, जीडी-ओईएस इलेक्ट्रोड सतह से इलेक्ट्रोड वॉल्यूम तक समग्र जानकारी बनाता है।

(8) फूरियर ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर, चित्र 6एच) नमूना और इंफ्रारेड विकिरण के बीच बातचीत को दर्शाता है। उच्च रिज़ॉल्यूशन डेटा को चयनित वर्णक्रमीय सीमा के भीतर एक साथ एकत्र किया जाता है, और नमूने के रासायनिक गुणों का विश्लेषण करने के लिए सिग्नल में फूरियर ट्रांसफॉर्म लागू करके वास्तविक स्पेक्ट्रम बनाया जाता है। हालाँकि, एफटीआईआर यौगिक का मात्रात्मक विश्लेषण नहीं कर सकता है।

(9) माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS, चित्र 6i) सामग्री की सतह की मौलिक और आणविक संरचना की विशेषता बताती है, और सतह संवेदनशीलता तकनीक कलेक्टर और इलेक्ट्रोड सामग्री पर इलेक्ट्रोकेमिकल निष्क्रियता परत या कोटिंग के गुणों को निर्धारित करने में मदद करती है।

(10) परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर, चित्र 6जे) ठोस और विलायक में पतला सामग्रियों और यौगिकों की विशेषता बता सकता है, जो न केवल रासायनिक और संरचनात्मक जानकारी प्रदान करता है, बल्कि आयन परिवहन और गतिशीलता, इलेक्ट्रॉन और चुंबकीय गुणों के साथ-साथ थर्मोडायनामिक और पर भी जानकारी प्रदान करता है। गतिज गुण.

(11) एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी, चित्र 6k) तकनीक का उपयोग आमतौर पर इलेक्ट्रोड में सक्रिय सामग्रियों के संरचनात्मक विश्लेषण के लिए किया जाता है।

(12) क्रोमैटोग्राफिक विश्लेषण का मूल सिद्धांत, जैसा कि चित्र 6एल में दिखाया गया है, मिश्रण में घटकों को अलग करना और फिर इलेक्ट्रोलाइट और गैस विश्लेषण के लिए पता लगाना है।

चित्र 6 विभिन्न विश्लेषण विधियों में पाए गए कणों का योजनाबद्ध आरेख

3. पुनः संयोजक इलेक्ट्रोड का विद्युत रासायनिक विश्लेषण

3.1. लिथियम आधी बैटरी को फिर से जोड़ना

विफलता के बाद इलेक्ट्रोड का इलेक्ट्रोकेमिकल विश्लेषण लिथियम की बटन आधी बैटरी को फिर से स्थापित करके किया जा सकता है। दो तरफा लेपित इलेक्ट्रोड के लिए, कोटिंग के एक तरफ को हटाया जाना चाहिए। ताजी बैटरियों से प्राप्त इलेक्ट्रोड और पुरानी बैटरियों से निकाले गए इलेक्ट्रोडों को फिर से जोड़ा गया और उसी विधि का उपयोग करके अध्ययन किया गया। इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण इलेक्ट्रोड की शेष (या शेष) क्षमता प्राप्त कर सकता है और प्रतिवर्ती क्षमता को माप सकता है।

नकारात्मक/लिथियम बैटरियों के लिए, पहला इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण नकारात्मक इलेक्ट्रोड से लिथियम को हटाने के लिए होना चाहिए। सकारात्मक/लिथियम बैटरियों के लिए, पहला परीक्षण लिथियम को लिथियमेशन के लिए सकारात्मक इलेक्ट्रोड में एम्बेड करने के लिए डिस्चार्ज किया जाना चाहिए। संगत क्षमता इलेक्ट्रोड की शेष क्षमता है। प्रतिवर्ती क्षमता प्राप्त करने के लिए, आधी बैटरी में नकारात्मक इलेक्ट्रोड को फिर से लिथियेट किया जाता है, जबकि सकारात्मक इलेक्ट्रोड को डीलिथाइज़ किया जाता है।

3.2. संपूर्ण बैटरी को पुनः स्थापित करने के लिए संदर्भ इलेक्ट्रोड का उपयोग करें

चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान एनोड और कैथोड की क्षमता प्राप्त करने के लिए एनोड, कैथोड और अतिरिक्त संदर्भ इलेक्ट्रोड (आरई) का उपयोग करके एक पूरी बैटरी का निर्माण करें।

संक्षेप में, प्रत्येक भौतिक रासायनिक विश्लेषण विधि केवल लिथियम आयन क्षरण के विशिष्ट पहलुओं का निरीक्षण कर सकती है। चित्र 7 लिथियम-आयन बैटरियों को अलग करने के बाद सामग्रियों के लिए भौतिक और रासायनिक विश्लेषण विधियों के कार्यों का एक सिंहावलोकन प्रदान करता है। विशिष्ट उम्र बढ़ने के तंत्र का पता लगाने के संदर्भ में, तालिका में हरा इंगित करता है कि विधि में अच्छी क्षमताएं हैं, नारंगी इंगित करता है कि विधि में सीमित क्षमताएं हैं, और लाल इंगित करता है कि इसमें कोई क्षमता नहीं है। चित्र 7 से, यह स्पष्ट है कि विभिन्न विश्लेषण विधियों में क्षमताओं की एक विस्तृत श्रृंखला है, लेकिन कोई भी विधि सभी उम्र बढ़ने के तंत्र को कवर नहीं कर सकती है। इसलिए, लिथियम-आयन बैटरियों की उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को व्यापक रूप से समझने के लिए नमूनों का अध्ययन करने के लिए विभिन्न पूरक विश्लेषण विधियों का उपयोग करने की सिफारिश की जाती है।

चित्र 7 पता लगाने और विश्लेषण विधि क्षमताओं का अवलोकन

वाल्डमैन, थॉमस, इटुरोनडोबीटिया, अमाया, कैस्पर, माइकल, एट अल। समीक्षा—पुरानी लिथियम-आयन बैटरियों का पोस्टमार्टम विश्लेषण: डिससेम्बली पद्धति और भौतिक-रासायनिक विश्लेषण तकनीकें[जे]। जर्नल ऑफ़ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, 2016, 163(10):ए2149-ए2164।