सिलिकॉन एनोड क्षरण की इमेजिंग के लिए एक नई विधि से बेहतर रिचार्जेबल बैटरी प्राप्त करने की उम्मीद है

शोधकर्ताओं का सुझाव है कि सिलिकॉन की संरचना और रासायनिक विकास को चिह्नित करने की एक नई विधि, साथ ही बैटरी स्थिरता को नियंत्रित करने वाली एक पतली परत, उच्च क्षमता वाली बैटरी में सिलिकॉन के उपयोग को रोकने के मुद्दे को हल करने में मदद कर सकती है।

अनुसंधान का ध्यान एनोड, नकारात्मक इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफेस पर है, जो चार्ज को एनोड और दूसरे इलेक्ट्रोड (कैथोड) के बीच स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ (एसईआई) परत आमतौर पर ठोस इलेक्ट्रोड और तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच इलेक्ट्रोड सतह पर बनती है, जो बैटरी में इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं और बैटरी की स्थिरता को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है। एनोड के रूप में सिलिकॉन का उपयोग करके बेहतर रिचार्जेबल बैटरी प्राप्त की जा सकती है।

पिछले 10 वर्षों में, रिचार्जेबल बैटरी के लिए उच्च क्षमता वाले नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में सिलिकॉन ने बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है। इंजीनियरिंग साइंस और मैकेनिक्स और बायोटेक्नोलॉजी के प्रोफेसर झांग सुलिन ने कहा कि वर्तमान में वाणिज्यिक बैटरी नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में ग्रेफाइट का उपयोग करती हैं, लेकिन सिलिकॉन की क्षमता ग्रेफाइट की तुलना में लगभग 10 गुना है। इसलिए, सिलिकॉन बैटरी अनुसंधान के लिए करोड़ों, करोड़ों, या यहां तक ​​कि करोड़ों डॉलर समर्पित हैं।

ऐसे समाज के लिए जो इलेक्ट्रिक वाहनों और शक्तिशाली पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के माध्यम से अपने बुनियादी ढांचे को विद्युतीकृत करने की उम्मीद करता है, यह अच्छी खबर है, लेकिन चुनौतियां भी हैं। बैटरियों की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, सिलिकॉन की मात्रा का विस्तार और संकुचन होगा, जिससे सिलिकॉन सामग्री में दरार आ जाएगी, और एसईआई बार-बार टूटेगा और पुन: उत्पन्न होगा। इसके परिणामस्वरूप विद्युत संपर्क टूट जाएगा और क्षमता में कमी आ जाएगी, जो बैटरी में संग्रहीत चार्ज की मात्रा है।

यह प्रक्रिया संरचनात्मक और रासायनिक रूप से कैसे विकसित होती है, इसकी सटीक समझ समस्याओं को हल करने के लिए महत्वपूर्ण है।

क्योंकि इस परत की स्थिरता बैटरी की स्थिरता को नियंत्रित करती है, आप नहीं चाहेंगे कि यह अनियंत्रित रूप से बढ़े क्योंकि इस परत के बनने से इलेक्ट्रोलाइट सामग्री और सक्रिय लिथियम की खपत होगी। झांग ने कहा कि इससे इलेक्ट्रोलाइट सूख सकता है और सक्रिय सामग्री नष्ट हो सकती है, जिससे बैटरी के प्रदर्शन पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ सकता है।

नेचर नैनोटेक्नोलॉजी पत्रिका में झांग और उनकी टीम ने जो एक बड़ी चुनौती पेश की है, वह इस प्रक्रिया को देखने, चित्रित करने और समझने की क्षमता है।

झांग ने कहा, एसईआई परत बैटरी के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह बहुत पतली है और इसे किसी भी ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत नहीं देखा जा सकता है, और यह बैटरी साइक्लिंग के दौरान गतिशील रूप से विकसित होती है। इसे ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी द्वारा बहुत नैनोस्केल, बहुत पतली सामग्री पर देखा जा सकता है। लेकिन एसईआई के लिए, यह परत बहुत नरम है और इलेक्ट्रॉन किरणों से आसानी से क्षतिग्रस्त हो जाती है, क्योंकि आपको सामग्री संरचना की उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियां प्राप्त करने के लिए बड़ी मात्रा में इलेक्ट्रॉन भेजने होंगे।

इस समस्या को दूर करने के लिए शोधकर्ताओं ने कम तापमान वाली स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो एसटीईएम) का इस्तेमाल किया। उन्होंने नमूने में इलेक्ट्रॉन बीम क्षति को कम करने के लिए कम तापमान वाले एसटीईएम माइक्रोस्कोपी इमेजिंग की तैयारी और उपयोग के दौरान परिसंचारी इलेक्ट्रोड सामग्री को कम तापमान पर रखा। इसके अलावा, उन्होंने 3डी इमेजिंग के लिए संवेदनशील तत्व टोमोग्राफी और कम इलेक्ट्रॉन खुराक पर छवियों को कैप्चर करने के उद्देश्य से उन्नत एल्गोरिदम को एकीकृत किया। यह तकनीक विभिन्न बैटरी चक्रों के बाद कैप्चर किए गए SEI सिलिकॉन इंटरैक्शन का 3डी दृश्य प्राप्त करती है।

हमारी पद्धति की विशिष्टता कम तापमान वाली एसटीईएम इमेजिंग और बहु-भौतिक प्रक्रिया मॉडलिंग में निहित है। झांग ने कहा कि हम बैटरी साइक्लिंग के बाद सिलिकॉन और एसईआई के विकास की कल्पना कर सकते हैं; इस बीच, हम चक्र के दौरान संपूर्ण माइक्रोस्ट्रक्चर विकास प्रक्रिया को पुन: स्थापित करने के लिए कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन का उपयोग कर सकते हैं। यही इस अध्ययन की नवीनता है.

इस टीम के काम ने लोगों को उन तंत्रों को बेहतर ढंग से समझने में सक्षम बनाया है जो सिलिकॉन एनोड में एसईआई परतों की वृद्धि और अस्थिरता का कारण बनते हैं।

इसलिए, एसईआई परतों के विकास तंत्र की समझ के साथ, यह हमें सिलिकॉन एनोड या बैटरी डिज़ाइन के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के बारे में कई अंतर्दृष्टि देगा, झांग ने कहा। फिर हम अगली पीढ़ी की लिथियम बैटरी के लिए अधिक मजबूत सिलिकॉन एनोड का निर्माण कर सकते हैं।

उन्होंने बताया कि लिथियम बैटरी की अगली पीढ़ी उद्योग और आम उपभोक्ताओं के लिए कई लाभ लाएगी।

झांग ने कहा, सिलिकॉन बहुत प्रचुर मात्रा में है, और अगर हम लंबे चक्र जीवन के साथ एनोड के रूप में सिलिकॉन का उपयोग कर सकते हैं, तो हम रिचार्जेबल बैटरी की क्षमता में काफी वृद्धि करेंगे। इसके अलावा, प्रचुर मात्रा में सिलिकॉन संसाधनों के कारण, इससे बैटरी की कीमत कम हो जाएगी।

सिलिकॉन नकारात्मक इलेक्ट्रोड बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान एसईआई परत के विकास की एक महत्वपूर्ण समझ के साथ, झांग ने कहा कि अगला कदम इस ज्ञान का उपयोग सिलिकॉन नकारात्मक इलेक्ट्रोड बैटरी को डिजाइन करने में मदद करना होगा जो साइकिल चलाने के कारण क्षमता नहीं खोएगा।

झांग ने कहा, "संभावित तंत्र की समझ के साथ, अगला कदम कुछ वैज्ञानिक परिकल्पनाएं उत्पन्न करना है।" फिर, हम सिलिकॉन एनोड का उपयोग करके इस परिकल्पना का परीक्षण करेंगे ताकि हम सिलिकॉन मात्रा परिवर्तन से जुड़े प्रतिकूल प्रभावों को कम कर सकें। वर्तमान अनियंत्रित कारकों को नियंत्रित करके, हम बेहतर प्रदर्शन के साथ सिलिकॉन इलेक्ट्रोड डिजाइन कर सकते हैं।

झांग के साथ पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस अध्ययन में भाग लिया, जिसमें इंजीनियरिंग विज्ञान और यांत्रिकी स्नातक छात्र तियानवु चेन और डिंगचुआन ज़ू शामिल थे। अन्य शोधकर्ताओं में प्रशांत नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी से यांग हे, जू याओबिन, वांग चोंगमिन, जिया हैपिंग, रैन यी, मियाओ सॉन्ग, ली जियाओलिन और झांग जिगुआंग शामिल हैं; थर्मोफिशर साइंटिफिक, लिनजियांग, आर्डाजेन्क, सेड्रिकबाउचेट मार्क्विस, ली पुलन और टेडटेसनर से; लॉस अलामोस नेशनल लेबोरेटरी, जिंकयॉन्गयू से। ऊर्जा मंत्रालय और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन ने इस शोध का समर्थन किया।