अगली पीढ़ी की लिथियम बैटरियों में शॉर्ट सर्किट को कैसे रोकें? MIT ने एक नया तरीका खोजा है

जैसे-जैसे शोधकर्ता बैटरी डिजाइन की सीमाओं को तोड़ना जारी रखते हैं और किसी दिए गए स्थान या वजन में अधिक शक्ति और ऊर्जा फिट करने की कोशिश करते हैं, अध्ययन की जाने वाली अधिक आशाजनक प्रौद्योगिकियों में से एक लिथियम-आयन बैटरी है, जो दो इलेक्ट्रोड के बीच ठोस इलेक्ट्रोलाइट सामग्री का उपयोग करती है विशिष्ट तरल पदार्थ.

लेकिन इस प्रकार की बैटरी हमेशा इलेक्ट्रोडों में से एक पर शाखित धातु उभार बनाने की प्रवृत्ति से ग्रस्त रही है, जो अंततः इलेक्ट्रोलाइट को जोड़ती है और बैटरी को शॉर्ट-सर्किट का कारण बनती है। अब, एमआईटी और अन्य जगहों के शोधकर्ताओं ने डेंड्राइट के गठन को रोकने का एक तरीका ढूंढ लिया है, जो इस नई प्रकार की उच्च-ऊर्जा बैटरी की क्षमता को उजागर कर सकता है।

शोध के निष्कर्ष नेचुरल एनर्जी जर्नल में प्रकाशित हुए थे और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के स्नातक छात्रों रिचर्ड पार्कर, प्रोफेसर जियांग हुइमिंग और प्रोफेसर क्रेग कार्टर के साथ-साथ मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी के सात अन्य लोगों द्वारा संयुक्त रूप से पूरा किया गया था। , ब्राउन यूनिवर्सिटी, और कार्नेगी मेलॉन यूनिवर्सिटी।

जियांग ने बताया कि सॉलिड-स्टेट बैटरी एक ऐसी तकनीक है जिसकी दो कारणों से लंबे समय से मांग की जा रही है: सुरक्षा और ऊर्जा घनत्व। हालाँकि, उन्होंने कहा, "इस दिलचस्प ऊर्जा घनत्व को प्राप्त करने का एकमात्र तरीका धातु इलेक्ट्रोड का उपयोग करना है।" उन्होंने कहा कि हालांकि अच्छी ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने के लिए धातु इलेक्ट्रोड को अभी भी तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ जोड़ा जा सकता है, लेकिन यह ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के समान सुरक्षा लाभ प्रदान नहीं करता है।

उन्होंने कहा कि सॉलिड-स्टेट बैटरियां केवल धातु इलेक्ट्रोड पर ही उपयोगी होती हैं, लेकिन ऐसी बैटरियों को विकसित करने के प्रयासों में डेंड्राइटिक वृद्धि के कारण बाधा उत्पन्न हुई है, जो अंततः दो इलेक्ट्रोड प्लेटों के बीच के अंतर को जोड़ती है, जिससे सर्किट शॉर्ट सर्किट होता है, जिससे कोशिकाएं कमजोर या निष्क्रिय हो जाती हैं। बैटरी.

हम पहले से ही जानते हैं कि जब करंट अधिक होता है, तो डेंड्राइट तेजी से बनते हैं, जो आमतौर पर फास्ट चार्जिंग के लिए आवश्यक होता है। अब तक, प्रायोगिक सॉलिड-स्टेट बैटरियों में प्राप्त वर्तमान घनत्व वास्तविक वाणिज्यिक रिचार्जेबल बैटरियों के लिए आवश्यक वर्तमान घनत्व से बहुत कम है। लेकिन जियांग ने कहा कि यह संभावना तलाशने लायक है क्योंकि इस बैटरी का प्रायोगिक संस्करण पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में दोगुनी ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है।

टीम ने ठोस और तरल अवस्थाओं के बीच समझौता करके डेन्ड्राइट की समस्या का समाधान किया। उन्होंने ठोस इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के संपर्क में एक अर्ध-ठोस इलेक्ट्रोड बनाया। अर्ध-ठोस इलेक्ट्रोड एक भंगुर ठोस सतह के बजाय इंटरफ़ेस पर एक स्व-उपचार सतह प्रदान करता है, जिससे छोटी दरारें हो सकती हैं और डेंड्राइट गठन के लिए प्रारंभिक बीज प्रदान किया जा सकता है।

यह विचार प्रयोगात्मक उच्च तापमान वाली बैटरियों से प्रेरित था, जहां एक या दोनों इलेक्ट्रोड पिघली हुई धातु से बने होते हैं। पेपर के पहले लेखक, पार्क के अनुसार, पोर्टेबल उपकरणों के लिए कुछ सौ डिग्री पिघली हुई धातु की बैटरी का उपयोग करना संभव नहीं है, लेकिन यह काम दर्शाता है कि तरल इंटरफेस डेंड्राइट बनाए बिना उच्च वर्तमान घनत्व प्राप्त कर सकते हैं। पार्क ने कहा, "हमारी प्रेरणा एक तरल चरण पेश करने के लिए सावधानीपूर्वक चयनित मिश्र धातुओं के आधार पर इलेक्ट्रोड विकसित करना है जो धातु इलेक्ट्रोड के लिए स्व-उपचार तत्व के रूप में काम कर सकता है।"

उन्होंने बताया कि इस सामग्री में तरल की तुलना में अधिक ठोसता होती है, लेकिन यह दंत चिकित्सकों द्वारा गुहाओं को भरने के लिए उपयोग किए जाने वाले मिश्रण के समान है, लेकिन फिर भी बह सकता है और आकार बना सकता है। बैटरी के सामान्य ऑपरेटिंग तापमान पर, यह ऐसी स्थिति में होगी जहां ठोस और तरल दोनों चरण एक साथ मौजूद होंगे। इस मामले में, ठोस चरण सोडियम और पोटेशियम के मिश्रण से बना होता है। जियांग ने कहा कि अनुसंधान टीम ने साबित कर दिया है कि किसी भी डेंड्राइट का निर्माण किए बिना ठोस लिथियम का उपयोग करके 20 गुना अधिक करंट पर सिस्टम को संचालित करना संभव है। अगला कदम वास्तविक लिथियम इलेक्ट्रोड का उपयोग करके इस प्रदर्शन को दोहराना है।

सॉलिड-स्टेट बैटरी के दूसरे संस्करण में, टीम ने सॉलिड-स्टेट लिथियम इलेक्ट्रोड और सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट के बीच तरल सोडियम पोटेशियम मिश्र धातु की एक बहुत पतली परत पेश की। वे संकेत देते हैं कि यह विधि डेंड्राइटिक समस्याओं को भी दूर कर सकती है, जो आगे के शोध के लिए एक और दृष्टिकोण प्रदान करती है।

जियांग ने कहा कि इस नई विधि को सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी के कई अलग-अलग संस्करणों पर आसानी से लागू किया जा सकता है, और दुनिया भर के शोधकर्ता वर्तमान में इस प्रकार की बैटरी का अध्ययन कर रहे हैं। उन्होंने कहा कि टीम का अगला कदम विभिन्न बैटरी आर्किटेक्चर में सिस्टम की प्रयोज्यता का प्रदर्शन करना होगा। कार्नेगी मेलन विश्वविद्यालय में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर, सह लेखक विश्वनाथन ने कहा, "हमारा मानना ​​है कि हम इस विधि को किसी भी ठोस-अवस्था लिथियम-आयन बैटरी में बदल सकते हैं। हमारा मानना ​​है कि इसे तुरंत बैटरी विकास में लागू किया जा सकता है, व्यापक रूप से हैंडहेल्ड उपकरणों में उपयोग किया जाता है।" , इलेक्ट्रिक वाहन, और इलेक्ट्रिक क्षेत्र।"