लिथियममेटल एनोडहरूसँग अत्यन्त उच्च सैद्धान्तिक विशिष्ट क्षमता (3860 mA·bg) र सबैभन्दा कम विद्युत रासायनिक क्षमता (-3.040 V (vs. SHE)) हुन्छ, जसले तिनीहरूलाई धेरै इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूमध्ये "होली ग्रेल" इलेक्ट्रोड मानिन्छ। लिथियम धातु ब्याट्रीहरूमा लिथियम-सल्फर र लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरू समावेश छन्। लिथियम-सल्फर ब्याट्रीहरूको ऊर्जा घनत्व लगभग 2600 W·h/kg हुन्छ, जबकि लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरूको ऊर्जा घनत्व लगभग 3500 W·h/kg हुन्छ, लगभग 7 र 10 गुणा पारम्परिक लिथियम ब्याट्रीको तुलनामा।{1}} तसर्थ, लिथियम धातु ब्याट्रीहरू सबैभन्दा आशाजनक ऊर्जा भण्डारण प्रणालीहरू मध्ये एक मानिन्छ र अर्को पुस्ताको ब्याट्री प्रणालीहरूको लागि एक शीर्ष उम्मेद्वार मानिन्छ, ध्यान आकर्षित गर्दछ। यद्यपि, लिथियम डेन्ड्राइट समस्याको कारण, प्रारम्भिक लिथियम धातु ब्याट्रीहरू केही विशेष क्षेत्रहरूमा मात्र लागू गर्न सकिन्छ, र तिनीहरूको व्यावसायीकरणमा ढिलाइ भएको छ।
रिचार्जेबल लिथियम मेटल ब्याट्रीहरू 1970 को शुरुमा आविष्कार गरिएको थियो र व्यापक रूपमा घडीहरू, क्यालकुलेटरहरू र अन्य इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूमा प्रयोग गरियो।
लिथियम धातु ब्याट्रीहरू विद्युतीय उपकरणहरू र पोर्टेबल मेडिकल उपकरणहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि, लिथियम धातुमा भएका केही दोषहरूले तिनीहरूको व्यावसायीकरणमा बाधा पुगेको छ। आवधिक तालिकाको समूह 1 को सदस्यको रूपमा, लिथियम परमाणुहरूको बाहिरी शेलमा एउटा मात्र इलेक्ट्रोन हुन्छ, उनीहरूले यो इलेक्ट्रोन सजिलै गुमाउँदा उनीहरूलाई अत्यधिक रासायनिक प्रतिक्रियाशील बनाउँछ। जब कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइटको सम्पर्कमा, लिथियम धातुले यसको सतहमा ठोस इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (SEI) भनिने फिल्म बनाउँछ। यस फिल्मको मुख्य कार्य इलेक्ट्रोलाइटबाट लिथियम धातुलाई अलग गर्नु हो, लिथियमको थप क्षरण रोक्न। यद्यपि, चार्ज र डिस्चार्ज गर्दा लिथियम धातुको महत्त्वपूर्ण मात्रा परिवर्तनको कारण, SEI फिल्म बारम्बार फुट्छ। उजागर गरिएको ताजा लिथियम धातुको सतहले इलेक्ट्रोलाइटसँग फेरि प्रतिक्रिया गर्छ र नयाँ SEI फिल्म बनाउँछ। यो प्रक्रियाले क्र्याकको साथमा लिथियम डेन्ड्राइटको वृद्धिलाई मात्र होइन तर ब्याट्री भित्र विभाजक पनि छिर्न सक्छ, सर्ट सर्किट निम्त्याउँछ। जब सर्ट सर्किट हुन्छ, ब्याट्री भित्र ठूलो मात्रामा तातो उत्पन्न हुन्छ, जसले चरम अवस्थामा दहन वा विस्फोट निम्त्याउन सक्छ, जसले लिथियम धातु ब्याट्रीहरूको सुरक्षा प्रदर्शन र बजार योग्यतालाई गम्भीर रूपमा असर गर्छ। यसबाहेक, लिथियम डेन्ड्राइटको संख्या बढ्दै जाँदा, तिनीहरूले नकारात्मक इलेक्ट्रोडलाई इलेक्ट्रोलाइटसँग सम्पर्कमा आउन थप अवसरहरू प्रदान गर्छन्, जसले गर्दा साइड प्रतिक्रियाहरूको दरलाई गति दिन्छ। यी अपरिवर्तनीय प्रक्रियाहरूले इलेक्ट्रोड सामग्री र इलेक्ट्रोलाइटहरू खपत गर्दछ, ब्याट्रीको ऊर्जा घनत्व र कूलम्बिक दक्षता घटाउँछ। लामो समयसम्म प्रयोग पछि, धेरै लिथियम डेन्ड्राइटहरू नवगठित SEI फिल्ममा बन्द हुन्छन्, सामान्य इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाहरूमा भाग लिन असमर्थ हुन्छन्; एकै साथ, सब्सट्रेट नजिकैको लिथियम डेन्ड्राइटहरू द्रुत रूपमा विघटन हुन्छन्, "मृत" लिथियमको कारणले गर्दा, लिथियमको यो भाग इलेक्ट्रोकेमिकली रूपमा निष्क्रिय हुन्छ, समग्र ब्याट्री कार्यसम्पादनलाई उल्लेखनीय रूपमा कमजोर बनाउँछ। विगत 40 वर्षहरूमा, लिथियम डेन्ड्राइट गठन संयन्त्रको अनुसन्धान र सिमुलेशनमा महत्त्वपूर्ण प्रगति भएको छ।
डेन्ड्राइट बृद्धिलाई दबाउनको लागि सबैभन्दा सामान्य रणनीतिहरू मध्ये एक भनेको इलेक्ट्रोलाइट संरचना समायोजन र विशिष्ट पदार्थहरू थपेर लिथियम धातु सतहमा ठोस इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (SEI) तहको स्थिरता र स्थिरता बढाउनु हो। यद्यपि, लिथियम धातु कार्बनिक additives मा थर्मोडायनामिक रूपमा अस्थिर छ, तरल इलेक्ट्रोलाइट वातावरण मा यसको सतह मा एक प्रभावकारी passivation तह गठन एकदम चुनौतीपूर्ण छ। SEI लेयरलाई अप्टिमाइज गर्नुको अलावा, उच्च मेकानिकल बलको साथ पोलिमर वा ठोस बाधा तहहरू परिचय गर्नु पनि विभाजकमा डेन्ड्राइट प्रवेश रोक्नको प्रभावकारी माध्यम हुन सक्छ। यी विधिहरूले SEI तह वा विभाजकको मेकानिकल गुणहरू सुधार गरेर विभाजकलाई लिथियम डेन्ड्राइट क्षति रोक्नको लागि लक्ष्य राख्छन्, तर तिनीहरूले डेन्ड्राइट गठनको समस्यालाई मौलिक रूपमा हटाउन सक्दैनन्। यस चुनौतीलाई पूर्ण रूपमा पार गर्न अझै केही समय बाँकी छ, र लिथियम मेटल एनोड-मा आधारित ब्याट्री उत्पादनहरू बजारमा अझै व्यापक रूपमा उपलब्ध छैनन्, शोधकर्ताहरूले सैद्धान्तिक रूपमा धेरै अवधारणात्मक लिथियम धातु ब्याट्री डिजाइनहरू प्रस्ताव गरेका छन्, व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूको सम्भावना देखाउँदै। यी मध्ये, क्याथोड सामग्रीको रूपमा सल्फर प्रयोग गर्ने लिथियम-सल्फर ब्याट्रीहरू र क्याथोड सक्रिय पदार्थको रूपमा अक्सिजन प्रयोग गर्ने लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरूले तिनीहरूको अनौठो फाइदाहरूको कारणले धेरै ध्यान आकर्षित गरेको छ र दुई उच्च व्यावसायिक रूपमा आशाजनक सबै-सेल प्रणालीहरू मानिन्छन्। लिथियम-सल्फर ब्याट्रीहरूमा अत्यधिक उच्च ऊर्जा घनत्व (लगभग 2600 W·kg) हुन्छ र यसलाई अर्को पुस्ताको ब्याट्री ऊर्जा भण्डारण प्रणालीहरूका लागि आशाजनक उम्मेद्वारहरूका रूपमा व्यापक रूपमा मान्यता दिइन्छ। अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, एलिमेन्टल सल्फर प्रकृतिमा प्रचुर मात्रामा पाइन्छ र वातावरणमैत्री हुन्छ, यसले लिथियम-सल्फर ब्याट्रीका फाइदाहरूलाई थप हाइलाइट गर्छ। त्यसकारण, हालैका वर्षहरूमा लिथियम-सल्फर ब्याट्रीले विश्वव्यापी ध्यान प्राप्त गरेको छ।
लिथियमको चार्जिङ र डिस्चार्ज गर्दा उत्पन्न हुने पोलिसल्फाइड मध्यवर्तीहरू{0}}सल्फर ब्याट्रीहरू इलेक्ट्रोलाइटमा विघटन हुन्छन् र नकारात्मक इलेक्ट्रोडमा जान्छन्। त्यसैले, लिथियम डेन्ड्राइटको दमन पोलिसल्फाइड मध्यवर्तीहरूको उपस्थितिमा अझ जटिल हुन्छ, विशेष गरी जब सल्फर क्याथोड उच्च हुन्छ। Polysulfides SEI फिलिम छिर्न सक्छ र सतह तह मुनि ताजा लिथियम धातु को कोर्रोड गर्न सक्छ, क्षमता गुमाउन नेतृत्व। त्यसकारण, लिथियम-सल्फर ब्याट्री सञ्चालनको क्रममा क्याथोड क्षमता सुधार गर्नका लागि मात्र नभई SEI फिल्मको स्थिरता र डेन्ड्राइट-मुक्त नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्राप्त गर्नका लागि पनि पोलिसल्फाइड शटललाई रोक्न आवश्यक छ। निरन्तर प्रयासहरू मार्फत, सकारात्मक सीमित डोमेन र सोखन, इलेक्ट्रोलाइट परिमार्जन, र विभाजक डिजाइन सहित धेरै विधिहरू विकसित गरिएका छन्। यद्यपि, यी विधिहरूले लिथियम मेटल एनोडमा डेन्ड्राइट वृद्धिलाई सीधै दमन नगरी, पोलिसल्फाइड शटललाई दबाउन र सल्फर क्याथोडको उपयोग दर सुधार गर्नमा बढी ध्यान केन्द्रित गरेको देखिन्छ। लिथियम-सल्फर ब्याट्रीहरूको प्रदर्शन लिथियम धातु एनोडको सुरक्षामा निर्भर गर्दछ। विभिन्न डेन्ड्राइट वृद्धि दमन विधिहरूको समन्वयात्मक प्रभावले लिथियम-सल्फर ब्याट्रीहरूको व्यावहारिक प्रयोगलाई गति दिन सक्छ।
लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरू एक प्रकारको ब्याट्री हुन् जसले हावाबाट अक्सिजनलाई सकारात्मक इलेक्ट्रोडको रूपमा प्रयोग गर्छ; तिनीहरूलाई कहिलेकाहीं लिथियम-एयर ब्याट्री भनिन्छ। लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरूको सैद्धान्तिक ऊर्जा घनत्व 3500 Wh/kg जति उच्च छ, जुन व्यावसायिक लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको भन्दा धेरै छ। त्यसकारण, लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरू ऊर्जा भण्डारणको क्षेत्रमा क्रान्तिकारी प्रगति भएको छ, जसले विश्वव्यापी ध्यानाकर्षण गरेको छ र अर्को-पुस्ताको ऊर्जा भण्डारण प्रणालीहरूमा बलियो दावेदार मानिएको छ।
पोलिसल्फाइड मध्यवर्तीहरू जस्तै, अक्सिजन क्रस-लिथियममा लिथियम धातुको नकारात्मक इलेक्ट्रोडबाट लिथियम धातुको नकारात्मक इलेक्ट्रोडमा लिङ्क गर्दा-अक्सिजन ब्याट्रीहरूले लिथियम धातुको सतहको क्रमशः ह्रास निम्त्याउन सक्छ, जसको परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइट विघटन हुन्छ र चार्ज गर्दा LiOH र LiCO3 को गठन हुन्छ। त्यसैले, अक्सिजन क्रस-लिङ्किङलाई दबाउन धेरै रणनीतिहरू विकसित गरिएका छन्। सकारात्मक इलेक्ट्रोड समस्या बाहेक, डेन्ड्राइटको वृद्धि र प्यासिभेसन फिल्ममा हुने क्षतिको कारणले लिथियमको कमीले रिचार्जेबल लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरूमा लिथियम धातुको प्रयोगलाई गम्भीर रूपमा बाधा पुर्याउँछ। लिथियम डेन्ड्राइट वृद्धिलाई दबाउनका लागि माथि उल्लिखित रणनीतिहरू लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीहरूमा पनि लागू हुन्छन्। इलेक्ट्रोलाइट additives, विभाजक परिमार्जन, र नकारात्मक इलेक्ट्रोड डिजाइन मार्फत, लिथियम ब्याट्री को प्रदर्शन उल्लेखनीय सुधार गर्न सकिन्छ।