Q1. Explain the working mechanism of Lithium-ion batteries. What are the key advantages and safety challenges associated with them in electric mobility?लिथियम-आयन बैटरी की कार्यप्रणाली समझाइए। इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) में इनसे जुड़े प्रमुख लाभों तथा सुरक्षा चुनौतियों का उल्लेख कीजिए।
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A Lithium-ion cell operates via reversible intercalation of Li+ ions between electrodes:
• Discharge: Li+ ions de-intercalate from the negative Graphite anode, travel through an organic liquid electrolyte (LiPF6), and intercalate into the positive Lithium metal oxide cathode (LiCoO2/NMC), releasing electrons through the external circuit to power the motor.
• Charging: Applied external voltage reverses the flow, driving Li+ ions back into the graphite anode.
Advantages: High energy density (150-250 Wh/kg), high cell voltage (3.7 V), minimal self-discharge (<2%/month), no memory effect, and long cycle life (>1000 cycles).
Safety Challenges: Volatile flammable liquid electrolytes risk 'Thermal Runaway' (internal short circuits causing catastrophic fires) under extreme heat, overcharging, or physical puncture. Transitioning to Solid-State Batteries is the long-term solution.लिथियम-आयन बैटरी की कार्यप्रणाली:
यह बैटरी इलेक्ट्रोड के मध्य Li+ आयनों के उत्क्रमणीय आवागमन (Intercalation) पर कार्य करती है:
• डिस्चार्ज: Li+ आयन ग्रेफाइट एनोड (ऋणात्मक) से निकलकर इलेक्ट्रोलाइट के रास्ते कैथोड (LiCoO2) में समाहित होते हैं, जिससे बाहरी परिपथ में इलेक्ट्रॉन बहकर मोटर चलाते हैं।
• चार्जिंग: बाह्य विद्युत धारा इस प्रक्रिया को उलट देती है और आयनों को पुनः एनोड में पहुंचा देती है।
लाभ: उच्च ऊर्जा घनत्व (कम वजन में अधिक ऊर्जा), 3.7 वोल्ट उच्च विभव, शून्य मेमोरी प्रभाव तथा 1000 से अधिक चार्जिंग चक्र।
सुरक्षा चुनौतियां: ज्वलनशील कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट के कारण अधिक गर्म होने पर 'थर्मल रनवे' (Thermal Runaway) और आग लगने का भारी खतरा रहता है; इसका समाधान भविष्य की 'सॉलिड-स्टेट बैटरी' तकनीक है।