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फास्ट-चार्जिंग सॉलिड-स्टेट बैटरी बनाने की नई रणनीति

फास्ट-चार्जिंग सॉलिड-स्टेट बैटरी बनाने की नई रणनीति

tech innovation 2022

योजनाबद्ध (ए) एक असंतत इंटरफ़ेस के साथ ली-मेटल सॉलिड-स्टेट बैटरी का प्रतिनिधित्व करता है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के माध्यम से डेन्ड्राइट वृद्धि के लिए ये रिक्तियां और असंतुलन मुख्य प्रेरक कारक हैं। एक उपयुक्त इंटरलेयर (बी) का उपयोग करके इन रिक्तियों को कम किया जा सकता है। श्रेय: विकल्प राज

एक सफलता में, भारतीय विज्ञान संस्थान (आईआईएससी) के शोधकर्ताओं और उनके सहयोगियों ने पता लगाया है कि अगली पीढ़ी की सॉलिड-स्टेट बैटरी कैसे विफल हो जाती हैं और इन बैटरियों को लंबे समय तक चलने और तेजी से चार्ज करने के लिए एक नई रणनीति तैयार की है।

सॉलिड-स्टेट बैटरी लगभग हर पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस में पाई जाने वाली लिथियम-आयन बैटरी को बदलने के लिए तैयार हैं। लेकिन बार-बार या अत्यधिक उपयोग पर, वे “डेंड्राइट्स” नामक पतले फिलामेंट्स विकसित करते हैं जो बैटरी को शॉर्ट-सर्किट कर सकते हैं और उन्हें बेकार कर सकते हैं।

में प्रकाशित एक नए अध्ययन में प्रकृति सामग्रीशोधकर्ताओं ने इस डेंड्राइट गठन के मूल कारण की पहचान की है – एक इलेक्ट्रोड में सूक्ष्म रिक्तियों की शुरुआत में उपस्थिति। वे यह भी दिखाते हैं कि इलेक्ट्रोलाइट की सतह पर कुछ धातुओं की एक पतली परत जोड़ने से डेंड्राइट के निर्माण में काफी देरी होती है, जिससे बैटरी का जीवन बढ़ जाता है और इसे तेजी से चार्ज किया जा सकता है।

पारंपरिक लीथियम-आयन बैटरियां—जो आपको अपने स्मार्टफोन या लैपटॉप में मिल सकती हैं—में ट्रांज़िशन मेटल (जैसे लोहा और कोबाल्ट) ऑक्साइड और एक नकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रोड से बने धनात्मक आवेशित इलेक्ट्रोड (कैथोड) के बीच एक तरल इलेक्ट्रोलाइट सैंडविच होता है। एनोड) ग्रेफाइट से बना है। जब बैटरी चार्ज हो रही हो और डिस्चार्ज हो रही हो (पावर का उपयोग करके), लिथियम आयन विपरीत दिशाओं में एनोड और कैथोड के बीच शटल करते हैं। इन बैटरियों में एक प्रमुख सुरक्षा समस्या है – तरल इलेक्ट्रोलाइट उच्च तापमान पर आग पकड़ सकता है। ग्रेफाइट भी धातु लिथियम की तुलना में बहुत कम चार्ज करता है।

इसलिए, एक आशाजनक विकल्प ठोस-अवस्था वाली बैटरी है जो एक ठोस सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट के लिए तरल को स्विच करती है और धातु लिथियम के साथ ग्रेफाइट को स्वैप करती है। सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट्स उच्च तापमान पर और भी बेहतर प्रदर्शन करते हैं, जो भारत जैसे उष्णकटिबंधीय देशों में विशेष रूप से उपयोगी है। लिथियम भी हल्का है और ग्रेफाइट की तुलना में अधिक चार्ज स्टोर करता है, जो बैटरी की लागत को काफी कम कर सकता है।

आईआईएससी में उन्नत बैटरी परीक्षण सुविधा। श्रेय: नागा फनी एतुकुरी

सॉलिड स्टेट एंड स्ट्रक्चरल केमिस्ट्री यूनिट (एसएससीयू) में सहायक प्रोफेसर और संबंधित लेखक नागा फानी एतुकुरी बताते हैं, “दुर्भाग्य से, जब आप लिथियम जोड़ते हैं, तो यह इन फिलामेंट्स को ठोस इलेक्ट्रोलाइट में विकसित करता है, और एनोड और कैथोड को छोटा करता है।” द स्टडी।

इस घटना की जांच करने के लिए, एतुकुरी के पीएच.डी. छात्र, विकल्प राज, सैकड़ों बैटरी कोशिकाओं को बार-बार चार्ज करके, लिथियम-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस के पतले वर्गों को काटकर, और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत उन्हें देखकर कृत्रिम रूप से प्रेरित डेंड्राइट गठन। जब उन्होंने इन खंडों को करीब से देखा, तो टीम ने महसूस किया कि डेंड्राइट बनने से बहुत पहले कुछ हो रहा था – डिस्चार्ज के दौरान लिथियम एनोड में सूक्ष्म रिक्तियां विकसित हो रही थीं। टीम ने यह भी गणना की कि इन सूक्ष्म रिक्तियों के किनारों पर केंद्रित धाराएं बैटरी सेल में औसत धाराओं की तुलना में लगभग 10,000 गुना बड़ी थीं, जो संभवतः ठोस इलेक्ट्रोलाइट पर तनाव पैदा कर रही थीं और डेंड्राइट गठन को तेज कर रही थीं।

“इसका मतलब है कि अब बहुत अच्छी बैटरी बनाने का हमारा काम बहुत आसान है,” एतुकुरी कहते हैं। “हमें केवल यह सुनिश्चित करने की ज़रूरत है कि रिक्तियां न बनें।”

इसे सुनिश्चित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लिथियम एनोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच एक दुर्दम्य धातु की एक अल्ट्राथिन परत पेश की – एक धातु जो गर्मी और पहनने के लिए प्रतिरोधी है। एतुकुरी कहते हैं, “दुर्दम्य धातु की परत ठोस इलेक्ट्रोलाइट को तनाव से बचाती है और करंट को एक हद तक पुनर्वितरित करती है।” उन्होंने और उनकी टीम ने अमेरिका में कार्नेगी मेलॉन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग किया, जिन्होंने कम्प्यूटेशनल विश्लेषण किया, जिससे स्पष्ट रूप से पता चला कि दुर्दम्य धातु की परत ने वास्तव में सूक्ष्म लिथियम voids के विकास में देरी की।

अत्यधिक दबाव लागू करना जो लिथियम को ठोस इलेक्ट्रोलाइट के खिलाफ धकेल सकता है, voids को रोक सकता है और डेंड्राइट के गठन में देरी कर सकता है, लेकिन यह रोजमर्रा के अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक नहीं हो सकता है। अन्य शोधकर्ताओं ने भी एल्युमीनियम जैसी धातुओं का उपयोग करने का विचार प्रस्तावित किया है जो कि इंटरफेस में मिश्र धातु या लिथियम के साथ अच्छी तरह मिलाते हैं। लेकिन समय के साथ, यह धातु परत लिथियम के साथ मिश्रित हो जाती है, अप्रभेद्य हो जाती है, और डेंड्राइट के गठन को नहीं रोकती है। “हम जो कह रहे हैं वह अलग है,” राज बताते हैं। “यदि आप टंगस्टन या मोलिब्डेनम जैसी धातु का उपयोग करते हैं जो लिथियम के साथ मिश्र धातु नहीं है, तो आपको सेल से जो प्रदर्शन मिलता है वह और भी बेहतर होता है।”

शोधकर्ताओं का कहना है कि निष्कर्ष व्यावहारिक और वाणिज्यिक ठोस-राज्य बैटरी को साकार करने में एक महत्वपूर्ण कदम है। उनकी रणनीति को अन्य प्रकार की बैटरियों तक भी बढ़ाया जा सकता है जिनमें सोडियम, जस्ता और मैग्नीशियम जैसी धातुएं होती हैं।


प्रतिक्रियाशील इलेक्ट्रोलाइट एडिटिव्स लिथियम धातु बैटरी प्रदर्शन में सुधार करते हैं


अधिक जानकारी:
नागा एतुकुरी, इंटरलेयर्स के साथ सॉलिड-स्टेट स्लेक्ट्रोलाइट्स में शून्य गठन और लिथियम डेंड्राइट वृद्धि के बीच सीधा संबंध, प्रकृति सामग्री (2022)। डीओआई: 10.1038 / s41563-022-01264-8. www.nature.com/articles/s41563-022-01264-8

भारतीय विज्ञान संस्थान द्वारा प्रदान किया गया

उद्धरण: फास्ट-चार्जिंग सॉलिड-स्टेट बैटरी (2022, जून 2) बनाने की नई रणनीति 2 जून 2022 को . से प्राप्त की गई

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फास्ट-चार्जिंग सॉलिड-स्टेट बैटरी बनाने की नई रणनीति

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