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Optimization of Calcination Temperature for Superior Electrochemical Performance in Single-Crystal LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 950°C पर मोल्टेन साल्ट प्रक्रिया के माध्यम से सिंगल-क्रिस्टल LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 का संश्लेषण करने से 900°C या 1000°C पर तैयार किए गए नमूनों की तुलना में उच्च विशिष्ट डिस्चार्ज क्षमता और उत्कृष्ट साइक्लिंग स्थिरता सहित बेहतर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन प्राप्त होता है।

मूल लेखक: Xinxin Zhao, Haodong Li, Yao Wang, Qixuan Ruan, Qi Sun, Jinmeng Yao, Xiaoyan Yan, Xiaohua Zhang

प्रकाशित 2026-09-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Xinxin Zhao, Haodong Li, Yao Wang, Qixuan Ruan, Qi Sun, Jinmeng Yao, Xiaoyan Yan, Xiaohua Zhang

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

दुनिया ऊर्जा भंडारण के तरीके में एक शांत क्रांति के दौर से गुजर रही है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रिक वाहनों और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स की मांग बढ़ रही है, साधारण लिथियम-आयन बैटरी आधुनिक जीवन की रीढ़ बन गई है, जो स्मार्टफोन से लेकर हमें आगे बढ़ाने वाली कारों तक सब कुछ संचालित करती है। इन बैटरियों के केंद्र में एक महत्वपूर्ण घटक होता है: कैथोड, एक ऐसी सामग्री जो लिथियम आयनों के लिए एक भंडार (रिजर्वायर) के रूप में कार्य करती है। जब बैटरी चार्ज होती है, तो ये नन्हे आयन कैथोड में तेजी से प्रवेश करते हैं; जब यह डिस्चार्ज होती है, तो वे किसी उपकरण को शक्ति देने के लिए बाहर की ओर बहते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिक निकल, कोबाल्ट और मैंगनीज से बने एक विशिष्ट प्रकार के कैथोड को बेहतर बनाने का प्रयास कर रहे हैं। यह मिश्रण ऊर्जा संग्रहीत करने की उच्च क्षमता प्रदान करता है, लेकिन यह एक संरचनात्मक कमजोरी से ग्रस्त है। अपने मानक रूप में, यह सामग्री छोटी गोलियों (स्फेयर्स) से बनी होती है जो वास्तव में कई छोटे क्रिस्टल के समूहों से जुड़ी होती हैं। समय के साथ, जैसे-जैसे बैटरी चार्ज और डिस्चार्ज होती है, ये आंतरिक क्रिस्टल अलग-अलग दरों पर फैलते और सिकुड़ते हैं, जिससे गोलियां टूट जाती हैं। एक बार टूटने के बाद, बैटरी का प्रदर्शन कम हो जाता है और उसका जीवनकाल छोटा हो जाता है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अलग संरचना की ओर रुख किया है: सिंगल क्रिस्टल (एकल क्रिस्टल)। कई छोटे दानों के समूह के बजाय, एक सिंगल-क्रिस्टल सामग्री एक निरंतर, ठोस पदार्थ होती है, जैसे रेत के ढेर के बजाय एक रत्न। यह उन आंतरिक सीमाओं को समाप्त कर देता है जहाँ दरारें आमतौर पर शुरू होती हैं, जो लंबे समय तक चलने वाली और बेहतर चार्ज बनाए रखने वाली बैटरियों का वादा करती हैं। हालांकि, इन पूर्ण सिंगल क्रिस्टल को बनाना कठिन है। इस प्रक्रिया में कच्चे माल के मिश्रण को अत्यधिक तापमान तक गर्म करना शामिल है, जिसे 'कैलसिनेशन' (calcination) कहा जाता है। चुनौती उस सटीक तापमान को खोजने की है जो क्रिस्टल को बहुत बड़ा होने या आंतरिक दोष विकसित किए बिना, बड़े और पूर्ण रूप से बढ़ने की अनुमति दे। यदि तापमान बहुत कम है, तो क्रिस्टल छोटे और अपूर्ण रह जाते हैं; यदि यह बहुत अधिक है, तो वे बहुत बड़े हो जाते हैं और विकृत होने लगते हैं।

हाल ही में एक अध्ययन में, ताइयुआन यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और शानक्सी टेरावाट एनर्जी टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट निकल-समृद्ध कैथोड सामग्री के लिए इस आदर्श तापमान को खोजने का लक्ष्य रखा। उन्होंने 'मोल्टेन साल्ट मेथड' (पिघले हुए नमक की विधि) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जिसमें कच्चे माल को एक विशेष नमक के साथ मिलाया जाता है जो गर्म करने के दौरान पिघल जाता है। यह पिघला हुआ नमक एक तरल वातावरण के रूप में कार्य करता है जो परमाणुओं को अधिक आसानी से घूमने में मदद करता है, जिससे वे बाद में भारी पीसने या कुचलने की आवश्यकता के बिना एक पूर्ण सिंगल-क्रल संरचना में व्यवस्थित हो सकते हैं। टीम ने इस सामग्री के तीन बैच तैयार किए, उन्हें तीन अलग-अलग तापमानों पर गर्म किया: 900 डिग्री सेल्सियस, 950 डिग्री सेल्सियस और 1000 डिग्री सेल्सियस। उनका लक्ष्य यह देखना था कि इन विभिन्न ताप स्तरों ने बनने वाले क्रिस्टल के आकार, आकार और विद्युत प्रदर्शन को कैसे बदला।

परिणामों ने एक स्पष्ट विजेता का खुलासा किया। 950 डिग्री सेल्सियस पर गर्म की गई सामग्री, जिसे शोधकर्ताओं ने SC-950 नाम दिया, श्रेष्ठ विकल्प के रूप में उभरी। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे परीक्षण करने पर, 900 डिग्री पर गर्म किए गए नमूने छोटे और कम विकसित पाए गए, जबकि 1000 डिग्री पर गर्म किए गए नमूने बहुत बड़े हो गए थे और उन्होंने अनियमित, ऊबड़-खाबड़ आकार ले लिया था। हालांकि, 950-डिग्री वाले नमूने ने सुंदर, एकसमान षट्कोणीय प्रिज्म (हेक्सागोनल प्रिज़्म) बनाए, जो आकार में लगभग दो माइक्रोमीटर के थे। यह विशिष्ट आकार और आकृति अत्यंत महत्वपूर्ण थी। शोधकर्ताओं ने परमाणुओं की आंतरिक व्यवस्था का भी विश्लेषण किया और पाया कि 9-50 डिग्री वाले नमूने में दोष सबसे कम थे। अन्य नमूनों में, परमाणु थोड़े स्थान से हटकर थे, एक ऐसी स्थिति जो बिजली के प्रवाह में बाधा डालती है। 950-डिग्री वाले नमूने की संरचना सबसे व्यवस्थित थी, जिसका अर्थ है कि लिथियम आयन बहुत कम प्रतिरोध के साथ सामग्री के अंदर और बाहर जा सकते हैं।

इस संरचनात्मक पूर्णता का सीधा असर बेहतर बैटरी प्रदर्शन में हुआ। जब शोधकर्ताओं ने बैटरी सेल में इन सामग्रियों का परीक्षण किया, तो SC-950 नमूने ने अपने पहले उपयोग में उच्चतम मात्रा में ऊर्जा प्रदान की, जो धीमी डिस्चार्ज दर पर 179.4 मिलीएम्पीयर-घंटे प्रति ग्राम निकली। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह अविश्वसनीय रूप से टिकाऊ साबित हुआ। मध्यम गति पर 200 बार चार्ज और डिस्चार्ज करने के बाद, SC-950 बैटरी ने अपनी मूल क्षमता का 91.3% बनाए रखा। इसके विपरीत, 900 और 1000 डिग्री पर बने नमूनों ने समान अवधि के दौरान अपनी क्षमता में काफी अधिक गिरावट दर्ज की। यहाँ तक कि बहुत तेज़ डिस्चार्ज दर पर परीक्षण करने पर, जो इलेक्ट्रिक वाहनों में त्वरित त्वरण के लिए महत्वपूर्ण है, 950-डिग्री वाले नमूने ने 200 चक्रों के बाद अपनी क्षमता का 87.1% बनाए रखा, जो अन्य सभी से कहीं बेहतर प्रदर्शन था।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन सामग्रियों के निर्माण के दौरान उपयोग किया जाने वाला तापमान केवल एक मामूली विवरण नहीं है, बल्कि उनकी सफलता का एक निर्णायक कारक है। सामग्री को बहुत कम गर्म करने से वह अपूर्ण रह जाती है, जबकि बहुत अधिक गर्म करने से वह अपनी संरचनात्मक अखंडता खो देती है। 950 डिग्री सेल्सियस के 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम बिंदु) ने क्रिस्टल को पर्याप्त रूप से बढ़ने दिया ताकि वे मजबूत और एकसमान हों, बिना दोषपूर्ण हुए। यह खोज बेहतर बैटरी बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है। इस स्तर की सटीकता के साथ गर्मी को नियंत्रित करके, इंजीनियर अधिक स्थिर और लंबे समय तक चलने वाले सिंगल-क्रिस्टल कैथोड का उत्पादन कर सकते हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि सही थर्मल स्थितियों के साथ, अगली पीढ़ी की लिथियम-आयन बैटरियां काफी बेहतर प्रदर्शन प्रदान कर सकती हैं, जिससे अधिक विश्वसनीयता के साथ स्वच्छ ऊर्जा की ओर संक्रमण को गति देने में मदद मिलेगी।

तकनीकी सारांश: उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन के लिए सिंगल-क्रिस्टल LiNi $_{0.6}$ Co $_{0.2}$ Mn $_{0.2}$ में कैल्सीनेशन तापमान का अनुकूलन

समस्या विवरण
निकेल-समृद्ध लेयर्ड कैथोड सामग्रियां, विशेष रूप से LiNi $_x$ Co $_y$ Mn $_z$ O $_2$ (NCM) जिसमें $x \geq 0.6$ है, अपने उच्च विशिष्ट डिस्चार्ज क्षमता (~180 mAh g $^{-1}$ ) और ऊर्जा घनत्व के कारण उन्नत ऊर्जा-सघन लिथियम-आयन बैटरी के लिए महत्वपूर्ण हैं। हालांकि, व्यावसायिक NCM सामग्रियां आमतौर पर प्राथमिक कणों के एकत्रीकरण से बनी द्वितीयक पॉलीक्रिस्टलाइन स्फेयर्स (spheres) के रूप में मौजूद होती हैं। साइक्लिंग के दौरान, इन प्राथमिक कणों में एनिसोट्रोपिक वॉल्यूम परिवर्तन ग्रेन बाउंड्रीज पर तनाव उत्पन्न करते हैं, जिससे माइक्रोक्रैकिंग होती है। ये दरारें इलेक्ट्रोलाइट के प्रवेश की अनुमति देती हैं, जिससे ट्रांजिशन मेटल माइग्रेशन, जाली विरूपण (lattice distortion) और उसके बाद क्षमता में गिरावट आती है। जबकि सिंगल-क्रिस्टल (SC) NCM सामग्रियां आंतरिक ग्रेन बाउंड्रीज को समाप्त करके एक समाधान प्रदान करती हैं, पारंपरिक सॉलिड-स्टेट संश्लेषण अक्सर "क्वासी-सिंगल-क्रिस्टल" (कण समुच्चय) उत्पन्न करता है जिन्हें यांत्रिक मिलिंग की आवश्यकता होती है, जो संभावित रूप से दोष उत्पन्न कर सकती है। इसके अलावा, उच्च गुणवत्ता वाले सिंगल क्रिस्टल के संश्लेषण के लिए मोल्टेन साल्ट विधियाँ कैल्सीनेशन तापमान के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होती है, जो कण की आकृति विज्ञान (morphology), धनायन क्रम (cation ordering) और इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता को निर्धारित करती है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में सिंगल-क्रिस्टल LiNi $_{0.6}$ Co $_{0.2}$ Mn $_{0.2}$ O $_2$ (NCM622) के संश्लेषण के लिए एक बाइनरी मोल्टेन साल्ट विधि का उपयोग किया गया। प्रक्रिया में Ni $_{0.6}$ Co $_{0.2}$ Mn $_{0.2}$ (OH) $_2$ प्रिकर्सर, एक लिथियम स्रोत (LiOH·H $_2$ O), और एक को-सॉल्वेंट (Li $_2$ SO $_4$ ) को एब्सोल्यूट इथेनॉल में विसर्जित करना शामिल था। मिश्रण को सुखाया गया और ऑक्सीजन वातावरण में तीन अलग-अलग तापमानों पर, 900 °C, 950 °C, और 1000 °C पर, 10 घंटों के लिए कैल्सीनेशन के अधीन किया गया। प्राप्त नमूनों को SC-900, SC-950, और SC-1000 के रूप में नामित किया गया।

सामग्रियों का लक्षण वर्णन निम्नलिखित द्वारा किया गया:

एक्स-रे विवर्तन (XRD): क्रिस्टल संरचना, जाली मापदंड (lattice parameters), और Li $^+$ /Ni $^{2+}$ धनायन मिश्रण (cation mixing) का विश्लेषण करने के लिए रीटवेल्ड रिफाइनमेंट के साथ।
स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM): कण आकृति विज्ञान, आकार वितरण और क्रिस्टल जाली संरचना का मूल्यांकन करने के लिए।
इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा (ICP-OES): तत्वों की संरचना को सत्यापित करने के लिए।
एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS): सतह की रासायनिक अवस्थाओं और संयोजकता वितरण को निर्धारित करने के लिए।
इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण: गैल्वेनोस्टैटिक चार्ज-डिस्चार्ज प्रदर्शन, दर क्षमता (rate capability), साइक्लिंग स्थिरता (1 C और 5 C पर), साइक्लिक वोल्टामेट्री (CV), और इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) को मापने के लिए हाफ-सेल कॉन्फ़िगरेशन (CR2032) का उपयोग किया गया।

मुख्य परिणाम
अध्ययन से पता चला कि कैल्सीनेशन तापमान सिंगल-क्रिस्टल NCM622 के संरचनात्मक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है:

संरचनात्मक अखंडता और धनायन मिश्रण (Cation Mixing):
- XRD विश्लेषण ने दिखाया कि सभी नमूनों ने लेयर्ड हेक्सागोनल $\alpha$ -NaFeO $_2$ संरचना ( $R\bar{3}m$ स्पेस ग्रुप) को बनाए रखा।
- Li $^+$ /Ni $^{2+}$ धनायन मिश्रण की डिग्री 950 °C पर कैल्सीनेट किए गए नमूने (SC-950) के लिए सबसे कम 4.98% थी। इसके विपरीत, SC-900 में अधिक मिश्रण (5.46%) देखा गया जो कम तापमान पर अपूर्ण Li $^+$ प्रसार के कारण था, जबकि SC-1000 में अत्यधिक तापमान पर थर्मोडायनामिक एंट्रॉपी प्रभावों और Ni $^{3+}$ रिडक्शन के कारण उच्चतम मिश्रण (6.37%) देखा गया।
- $I_{003}/I_{104}$ तीव्रता अनुपात, जो लेयर्ड ऑर्डरिंग का संकेतक है, SC-950 के लिए उच्चतम (1.04) था।
आकृति विज्ञान और कण आकार:
- SEM छवियों ने संकेत दिया कि तापमान के साथ कण का आकार बढ़ता गया। SC-900 और SC-950 ने लगभग 1.5 μm और 2 μm के आकार के साथ "हेक्सागोनल प्रिज़्म" आकृति विज्ञान प्रदर्शित किया।
- SC-1000 के कण बढ़कर ~3.5 μm हो गए लेकिन उन्होंने अनियमित बहुभुज आकार प्रदर्शित किए, जो 1000 °C पर ओवरग्रोथ और आंशिक मेल्टिंग का सुझाव देते हैं।
- TEM ने SC-950 की सिंगल-क्रिस्टल प्रकृति की पुष्टि की, जिसमें एक समान लैमेलर संरचना और कोई अशुद्ध चरण नहीं था।
इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन:
- क्षमता (Capacity): SC-950 ने उच्चतम प्रारंभिक विशिष्ट डिस्चार्ज क्षमताएं प्रदान कीं: 0.1 C पर 179.4 mAh g $^{-1}$ और 5 C पर 95.8 mAh g $^{-1}$ , जो SC-900 और SC-1000 दोनों से बेहतर प्रदर्शन करती है।
- साइक्लिंग स्थिरता: 200 चक्रों के बाद, SC-950 ने 1 C पर 91.3% और 5 C पर 87.1% क्षमता बनाए रखी। SC-1000 में महत्वपूर्ण गिरावट देखी गई (1 C पर 78.4% और 5 C पर 46.1%), जबकि SC-900 ने मध्यम प्रदर्शन दिखाया।
- काइनेटिक्स (Kinetics): CV विश्लेषण से पता चला कि SC-950 में सबसे कम ओवरपोटेंशियल ( $\Delta V = 0.217$ V) और उच्चतम Li $^+$ प्रसार गुणांक ( $D_{Li^+} = 5.86 \times 10^{-11}$ cm $^2$ s $^{-1}$ CV के माध्यम से; $2.11 \times 10^{-14}$ cm $^2$ s $^{-1}$ EIS के माध्यम से) था। EIS परिणामों ने आगे पुष्टि की कि SC-950 में सबसे कम चार्ज-ट्रांसफर रेजिस्टेंस ( $R_{ct}$ ) और 200 चक्रों के बाद इम्पीडेंस में सबसे कम वृद्धि हुई।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि कैल्सीनेशन तापमान को अनुकूलित करना उच्च-प्रदर्शन वाले सिंगल-क्रिस्टल निकेल-रिच कैथोड सामग्री के संश्लेषण के लिए एक निर्णायक कारक है। यह अध्ययन पहचानता है कि NCM622 के मोल्टेन साल्ट संश्लेषण के लिए 950 °C इष्टतम तापमान है। इस तापमान पर, सामग्री पर्याप्त क्रिस्टल विकास (yielding ~2 μm hexagonal prisms) और न्यूनतम Li $^+$ /Ni $^{2+}$ धनायन मिश्रण के बीच एक संतुलन प्राप्त करती है।

लेखक का तर्क है कि SC-950 सामग्री कम या उच्च तापमान पर संश्लेषित नमूनों की तुलना में बेहतर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन प्रदर्शित करती है। इस श्रेष्ठता का श्रेय इसकी सुव्यवस्थित लेयर्ड संरचना, कम धनायन विकार (cation disorder), और स्थिर आकृति विज्ञान को दिया जाता है, जो सामूहिक रूप से संरचनात्मक गिरावट को कम करते हैं और लिथियम-आयन प्रसार काइनेटिक्स को बढ़ाते हैं। यह कार्य एक नवीन और प्रभावी तकनीक प्रस्तुत करता है जो संश्लेषण के बाद बॉल मिलिंग की आवश्यकता के बिना सिंगल-क्रिस्टल निकेल-रिच लेयर्ड टर्नरी कैथोड सामग्री बनाने का मार्ग प्रशस्त करती है, जिससे उन्नत लिथियम-आयन बैटरी के लिए बेहतर साइक्लिंग स्थिरता और रेट क्षमता प्राप्त होती है।

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