अगली पीढ़ी की लिथियम बैटरी में एक नए प्रकार के लेड आधारित एनोड का उपयोग किया जाएगा

लिथियम आयन बैटरियां स्मार्टफोन से लेकर लैपटॉप और इलेक्ट्रिक वाहनों तक सभी उपकरणों को बिजली प्रदान करती हैं। दुनिया भर के वैज्ञानिक इन और अन्य अनुप्रयोगों के लिए बेहतर बैटरी बनाने के लिए नए और बेहतर घटकों की खोज कर रहे हैं।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) के आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों ने सीसा और कार्बन जैसी कम लागत वाली सामग्रियों का उपयोग करके लिथियम-आयन बैटरी के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए इलेक्ट्रोड की सूचना दी है। इस महत्वपूर्ण खोज में योगदानकर्ताओं में नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी, ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी और उल्सान नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (यूएनआईएसटी) के वैज्ञानिक भी शामिल हैं।

आर्गोन विश्वविद्यालय में केमिकल साइंस एंड इंजीनियरिंग (सीएसई) के मुख्य लेखक और सामग्री वैज्ञानिक यूंगजे ली ने कहा, "हमारे शोध में कम लागत, उच्च प्रदर्शन और टिकाऊ लिथियम-आयन बैटरी डिजाइन करने के रोमांचक निहितार्थ हैं जो हाइब्रिड के लिए शक्ति प्रदान कर सकते हैं। और सभी इलेक्ट्रिक वाहन।"

लिथियम-आयन बैटरियों का कार्य सिद्धांत चार्जिंग के दौरान लिथियम आयनों को एनोड में डालना और डिस्चार्ज के दौरान उन्हें निकालना है। वर्तमान ग्रेफाइट एनोड ऐसे हजारों चार्ज डिस्चार्ज चक्रों से गुजर सकता है, लेकिन ऐसा लगता है कि यह ऊर्जा भंडारण क्षमता के मामले में अपनी सीमा तक पहुंच गया है।

ली ने कहा, "हमने एनोड सामग्री के रूप में ग्रेफाइट के विकल्प के रूप में सीसा का अध्ययन करने का निर्णय लिया है। सीसा विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि यह सस्ता और किफायती दोनों है। इसके अलावा, कारों के लिए सहायक शक्ति प्रदान करने वाली सीसा-एसिड बैटरियों के लंबे इतिहास के कारण , इसकी एक संपूर्ण आपूर्ति श्रृंखला है और यह दुनिया में सबसे अधिक पुनर्नवीनीकृत सामग्रियों में से एक है, संयुक्त राज्य अमेरिका में, वर्तमान सीसा पुनर्प्राप्ति दर 99% है।

ली ने कहा, "हमारा नया एनोड वर्तमान में लेड-एसिड बैटरी निर्माण और रीसाइक्लिंग में लगे बड़े उद्योग के लिए राजस्व का एक नया स्रोत प्रदान कर सकता है।"

टीम का एनोड कोई साधारण लेड प्लेट नहीं है, बल्कि जटिल संरचनाओं वाले अनगिनत सूक्ष्म कण हैं: लेड नैनोकण एक कार्बन मैट्रिक्स में एम्बेडेड होते हैं और लेड ऑक्साइड के पतले आवरण से घिरे होते हैं। हालाँकि यह संरचना जटिल लगती है, टीम ने एक सरल, कम लागत वाली निर्माण विधि का आविष्कार किया है।

परियोजना के मुख्य शोधकर्ता और आर्गन, सीएसई के उत्कृष्ट शोधकर्ता क्रिस्टोफर जॉनसन ने बताया, "हमारी विधि में बड़े लेड ऑक्साइड कणों को कार्बन पाउडर के साथ मिलाना और वांछित कोर-शेल संरचना वाले सूक्ष्म कण बनने तक कई घंटों तक दोलन करना शामिल है।"

100 से अधिक चार्ज डिस्चार्ज चक्रों वाली प्रयोगशाला बैटरियों में किए गए परीक्षणों से पता चला है कि नए लेड आधारित नैनोकम्पोजिट एनोड की ऊर्जा भंडारण क्षमता वर्तमान ग्रेफाइट एनोड (समान वजन के लिए मानकीकृत) से दोगुनी है। साइक्लिंग प्रक्रिया के दौरान स्थिर प्रदर्शन संभव है, क्योंकि छोटे कण आकार तनाव को कम कर सकते हैं, जबकि कार्बन मैट्रिक्स आवश्यक चालकता प्रदान करता है और साइक्लिंग प्रक्रिया के दौरान वॉल्यूम विस्तार के नुकसान को रोकने के लिए बफर के रूप में कार्य करता है। शोध दल ने यह भी पाया कि मानक इलेक्ट्रोलाइट में थोड़ी मात्रा में फ्लोरोइथाइल कार्बोनेट जोड़ने से प्रदर्शन में काफी सुधार होता है।

शोधकर्ताओं ने डीओई विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा कार्यालय, अर्गोना में स्थित शिकागो विश्वविद्यालय द्वारा संचालित जियोसॉइलएनवायरो एडवांस्ड रेडिएशन सोर्स सेंटर (जीएसईसीएआरएस) में एनोड के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग तंत्र का अध्ययन किया। सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे विवर्तन के माध्यम से, वे चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के चरण संक्रमण को ट्रैक करने में सक्षम हैं। ये लक्षण वर्णन परिणाम, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के परमाणु और नैनोस्केल कैरेक्टराइजेशन सेंटर और ब्रुकहेवन में डीओई उपयोगकर्ता सुविधा राष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स II द्वारा एकत्र किए गए परिणामों के साथ मिलकर, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लीड और लिथियम आयनों के बीच होने वाली इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं को प्रकट करते हैं, जो थे पहले अज्ञात.

ली ने कहा, "यह मौलिक अंतर्दृष्टि सीसा और सिलिकॉन एनोड के बीच प्रतिक्रिया तंत्र को समझने के लिए महत्वपूर्ण हो सकती है।"

सिलिकॉन एनोड लिथियम-आयन बैटरी की अगली पीढ़ी के लिए एक और कम लागत और उच्च प्रदर्शन वाला विकल्प है।

जॉनसन ने कहा, "हमारी खोज इस इलेक्ट्रोड सामग्री की वर्तमान समझ को चुनौती देती है।" हमारी खोज परिवहन और निश्चित ऊर्जा भंडारण के लिए कम लागत, उच्च प्रदर्शन एनोड सामग्री, जैसे पावर ग्रिड के लिए बैकअप पावर स्रोतों को डिजाइन करने के लिए रोमांचक निहितार्थ भी प्रदान करती है। "

टीम का पेपर हाल ही में प्रकाशित एडवांस्ड फंक्शनल मटेरियल्स में प्रकाशित हुआ था।