एल्युमीनियम के लिए संक्षारण तंत्र, विफलता मोड और व्यवस्थित सुरक्षा रणनीतियाँ

एल्यूमीनियम बैटरी आवरणों के क्षरण को मुख्य रूप से दो प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है: बाहरी क्षरण और आंतरिक क्षरण। बाहरी संक्षारण भंडारण या संचालन के दौरान बैटरी के संक्षारक पदार्थों जैसे एसिड और क्षार (उदाहरण के लिए, वर्षा जल या सफाई एजेंट) के संपर्क में आने से उत्पन्न होता है, जो सीधे एल्यूमीनियम आवरण की सतह को नष्ट कर देता है। इसके विपरीत, आंतरिक क्षरण अधिक घातक और संभावित रूप से अधिक खतरनाक है; इसका मूल कारण विशिष्ट विद्युत रासायनिक स्थितियों के तहत एल्युमीनियम संरचना में लिथियम के अंतर्संबंध में निहित है। जब एल्यूमीनियम आवरण की क्षमता 0.2 और 0.4 V (बनाम Li/Li⁺) के बीच गिर जाती है, तो Li⁺ आयन एल्यूमीनियम क्रिस्टल जाली में आपस में जुड़कर LiAl और Li₃Al₂ जैसे इंटरमेटेलिक मिश्र धातु बनाते हैं।

यह प्रक्रिया जाली के विस्तार और दरार को प्रेरित करती है, जिससे अंततः एल्यूमीनियम चूर्णित हो जाता है, अपनी धात्विक चमक खो देता है, और एक छिद्रपूर्ण संक्षारण परत बन जाती है। यह गिरावट प्रक्रिया आम तौर पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड और एल्यूमीनियम आवरण के बीच एक आकस्मिक शॉर्ट सर्किट से शुरू होती है।

आंतरिक क्षरण होने के लिए, तीन शर्तों को एक साथ पूरा करना होगा: एक इलेक्ट्रॉन मार्ग, एक आयन मार्ग और एक संक्षारक क्षमता की उपस्थिति। इनमें से, आयन मार्ग (इलेक्ट्रोलाइट द्वारा प्रदान किया गया) अपरिहार्य है; इसलिए, इलेक्ट्रॉन मार्ग को अवरुद्ध करना और संभावित अंतर को नियंत्रित करना संक्षारण रोकथाम के लिए मुख्य रणनीतियों का गठन करता है। मानक डिजाइनों में, प्रिज्मीय बैटरी सेल का एल्यूमीनियम आवरण इंसुलेटिंग सामग्री (जैसे इंसुलेटिंग फिल्म या शीर्ष कवर गास्केट) के उपयोग के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड और आवरण के बीच पूर्ण विद्युत अलगाव सुनिश्चित करता है।

हालाँकि, यदि नकारात्मक इलेक्ट्रोड आवरण की भीतरी दीवार के संपर्क में आता है {{0}चाहे विनिर्माण दोषों के कारण (उदाहरण के लिए, अत्यधिक लंबे इलेक्ट्रोड टैब, विस्थापित इंसुलेटिंग चिपकने वाले, या खराब वाइंडिंग एनकैप्सुलेशन) या बाहरी यांत्रिक क्षति के कारण {{3}नकारात्मक इलेक्ट्रोड और आवरण के बीच वोल्टेज 0 वी तक पहुंच जाएगा, जिससे लिथियम के अंतर्कलन संक्षारण के लिए आवश्यक स्थितियां पैदा होंगी। प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि, कई चार्ज{7}डिस्चार्ज चक्रों के बाद, ऐसी क्षतिग्रस्त बैटरियां अक्सर विस्फोट रोधी वाल्व के आसपास छिद्र और इलेक्ट्रोलाइट रिसाव प्रदर्शित करती हैं।

इसके अलावा, बाहरी शॉर्ट सर्किट भी उतना ही महत्वपूर्ण जोखिम पैदा करते हैं। यदि बैटरी आवरण की बाहरी सतह अवशिष्ट इलेक्ट्रोलाइट या बाहरी धातु वस्तुओं (जैसे परीक्षण फिक्स्चर या तार) के संपर्क के कारण नकारात्मक टर्मिनल के लिए एक प्रवाहकीय मार्ग स्थापित करती है, तो यह आवरण वोल्टेज को संक्षारक संभावित सीमा में दबा सकती है। अनुसंधान इंगित करता है कि 1-2 वी के प्रारंभिक आवरण वोल्टेज वाली बैटरियां, जब नकारात्मक टर्मिनल के साथ एक कृत्रिम शॉर्ट सर्किट स्थापित होने के बाद चार्ज {{6}डिस्चार्ज चक्र के अधीन होती हैं, तो तेजी से एल्यूमीनियम आवरण जंग के लक्षण प्रदर्शित करती हैं। बैटरी पैक (PACK) स्तर पर, यदि आसन्न व्यक्तिगत कोशिकाओं के एल्यूमीनियम आवरण विद्युत संपर्क में आते हैं, तो यह संपूर्ण श्रृंखला सर्किट में संभावित वितरण को बदल देता है। इससे विशिष्ट व्यक्तिगत कोशिकाओं का आवरण वोल्टेज असामान्य रूप से कम हो सकता है {{9}या यहां तक ​​कि नकारात्मक भी हो सकता है {{10}जिससे स्थानीय क्षरण शुरू हो सकता है। उदाहरण के लिए, तीन सेल बैटरी पैक में, पहले और आखिरी सेल के एल्यूमीनियम आवरण के बीच शॉर्ट सर्किट के कारण टर्मिनल सेल के आवरण का वोल्टेज -1.5 V तक गिर सकता है, जिससे इसकी विफलता तेज हो सकती है।

पर्यावरणीय कारकों को भी नज़रअंदाज़ नहीं किया जाना चाहिए। यदि नई ऊर्जा वाहनों के लिए डिज़ाइन की गई एल्यूमीनियम आवरण वाली बैटरी को कमजोर अम्लीय पानी (पीएच ≈ 5) में डुबोया जाता है, तो सूखने के बाद भी आवरण वोल्टेज को पूरी तरह से ठीक करना मुश्किल रहता है। यदि चार्जिंग और डिस्चार्जिंग चक्र इस समझौता स्थिति में जारी रहता है, तो संक्षारण की दर काफी तेज हो जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि नमी की उपस्थिति अतिरिक्त आयनिक मार्गों का परिचय देती है, जबकि अशुद्धता आयन विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं। अधिक गंभीर रूप से, कम केसिंग वोल्टेज की स्थिति में, धात्विक लिथियम सीधे एल्यूमीनियम आवरण की सतह पर जमा हो सकता है, जिससे मिश्र धातु का क्षरण और बढ़ सकता है।

बैटरी के प्रदर्शन पर संक्षारण का प्रभाव विलंबित प्रभाव प्रदर्शित करता है। प्रारंभिक चरण के दौरान (उदाहरण के लिए, पहले 400 चक्र), रिचार्जेबल एल्युमीनियम आवरण वाली बैटरी की क्षमता प्रतिधारण एक सामान्य, असंशोधित इकाई से अप्रभेद्य प्रतीत होती है; हालाँकि, जैसे-जैसे साइकिल आगे बढ़ती है, एल्यूमीनियम आवरण पर होने वाली लिथियेशन प्रतिक्रियाओं में सक्रिय लिथियम की लगातार खपत होती है, जिससे कैथोड पर सक्रिय सामग्री की अपरिवर्तनीय हानि होती है। 1,500 चक्रों के बाद, जंग लगी बैटरी की क्षमता प्रतिधारण 88% से घटकर 60% तक कम हो सकती है। दर प्रदर्शन के संदर्भ में, 5C से नीचे डिस्चार्ज दर के दौरान कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं देखा जाता है; हालाँकि, 10C से अधिक उच्च डिस्चार्ज दर पर, संक्षारित बैटरी का आंतरिक प्रतिरोध बढ़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रदर्शन में उल्लेखनीय गिरावट आती है।