वैज्ञानिकों ने लिथियम-आयन बैटरियों में बार-बार होने वाले विस्फोटों का कारण ढूंढ लिया है!

पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और इलेक्ट्रिक वाहनों के तेजी से विकास के साथ, लोग न केवल बड़ी क्षमता और लिथियम बैटरी की तेज चार्जिंग और डिस्चार्जिंग गति का पीछा कर रहे हैं, बल्कि लिथियम बैटरी के उपयोग की सुरक्षा कैसे सुनिश्चित की जाए, इसके बारे में भी अधिक चिंतित हैं। लिथियम बैटरी विस्फोट जैसी कभी-कभार होने वाली घटनाओं के कारण, किसी की नसें अनिवार्य रूप से तनावग्रस्त हो जाती हैं। लिथियम बैटरी के सुरक्षा मुद्दों को हल करने के लिए वैज्ञानिकों के लिए लिथियम बैटरी विस्फोट के कारणों की गहन और व्यापक समझ होना एक शर्त है।

वर्तमान वैज्ञानिक व्याख्या यह है कि इलेक्ट्रोड सतह पर लिथियम के जमाव से डेंड्राइट बनेंगे, जो बढ़ते रहेंगे, जिससे बैटरी में आंतरिक शॉर्ट सर्किट होंगे, जिससे बैटरी खराब हो जाएगी या आग लगने का खतरा हो सकता है। लेकिन अतीत में, परमाणु संरचना के परिप्रेक्ष्य से समझने और अध्ययन करने और फिर समस्याओं का समाधान खोजने के लिए प्रभावी तकनीकी साधनों का अभाव था।
क्रायो ईएम तकनीक, जिसने इस महीने रसायन विज्ञान में 2017 का नोबेल पुरस्कार जीता, इसके लिए मजबूत तकनीकी सहायता प्रदान करती है। स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के प्रोफेसर कुई यी और सीधे अमेरिकी ऊर्जा विभाग के तहत एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला के नेतृत्व में अनुसंधान दल, साथ ही नोबेल पुरस्कार विजेता स्टीवन चू ने 1997 में क्रायो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके परमाणु स्तर के लिथियम धातु डेंड्राइट की पहली छवि खींची। क्रायो ईएम)। शोध के निष्कर्ष स्थानीय समयानुसार 27 अक्टूबर को अंतरराष्ट्रीय अकादमिक जर्नल साइंस में प्रकाशित हुए।
प्रत्येक लिथियम धातु डेंड्राइट एक लंबा, पूरी तरह से निर्मित हेक्सागोनल क्रिस्टल है। पहले, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के माध्यम से केवल अनियमित आकार के क्रिस्टल देखे जाते थे। कुई यी ने कहा, "शोध के नतीजे बहुत रोमांचक हैं और इससे संबंधित शोध के लिए एक नया युग खुल गया है!"

क्रायोइलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप, जैसा कि नाम से पता चलता है, एक सूक्ष्म तकनीक है जो ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम) का उपयोग करके कम तापमान पर नमूनों का निरीक्षण करने के लिए क्रायोफिक्सेशन का उपयोग करती है। क्रायोइलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी एक महत्वपूर्ण संरचनात्मक जीव विज्ञान अनुसंधान पद्धति है और जैव अणुओं की संरचना प्राप्त करने का एक महत्वपूर्ण साधन है।

क्योंकि छवियां तंत्र को समझने की कुंजी हैं, वैज्ञानिक सफलताएं अक्सर लक्ष्य की दृश्य छवि को सफलतापूर्वक प्राप्त करने के लिए नग्न आंखों के उपयोग पर निर्भर करती हैं। लंबे समय से यह माना जाता रहा है कि टीईएम जैव अणुओं के अवलोकन के लिए उपयुक्त नहीं है क्योंकि शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन किरणें जैविक सामग्रियों को नुकसान पहुंचा सकती हैं। हालाँकि, क्रायो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के उद्भव ने शोधकर्ताओं को जैव अणुओं को "फ्रीज" करने और उनकी गति प्रक्रियाओं का अभूतपूर्व रूप से निरीक्षण और विश्लेषण करने में सक्षम बनाया है। इन विशेषताओं का जैव रसायन की समझ और औषध विज्ञान के विकास पर निर्णायक प्रभाव पड़ता है। इसलिए इस साल के रसायन विज्ञान के नोबेल पुरस्कार में क्रायो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी को भी शामिल किया जाएगा।
लिथियम जैसी सामग्रियों के लिए, डेंड्राइट के परमाणु स्तर पर परिणाम देखने के लिए प्रक्षेपण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करना भी संभव नहीं है। बायोमटेरियल के समान, कमरे के तापमान पर टीईएम का उपयोग करते समय, डेन्ड्राइट के किनारे इलेक्ट्रॉन बीम प्रभाव के कारण मुड़ जाएंगे या पिघल भी जाएंगे। इस कार्य में भाग लेने वाले स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के डॉक्टरेट छात्र यानबिन ली ने कहा, "ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी नमूनों की तैयारी हवा में की जाती है, लेकिन लिथियम धातु हवा में जल्दी खराब हो जाएगी।" "जब भी हम उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत लिथियम धातु का निरीक्षण करने की कोशिश करते हैं, तो इलेक्ट्रॉन डेंड्राइट्स में 'छेद' कर देंगे और यहां तक ​​कि इसे पूरी तरह से पिघला देंगे।"
इस अध्ययन में भाग लेने वाले स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के पीएचडी छात्र यानबिन ली ने कहा, "यह सूरज की रोशनी में एक पत्ते पर एक आवर्धक कांच चमकाने जैसा है। हालांकि, यदि आप पत्ती को ठंडा कर सकते हैं, तो यह समस्या आसानी से हल हो जाएगी: यदि आप प्रकाश पर ध्यान केंद्रित करते हैं पत्ती पर, गर्मी भी नष्ट हो जाएगी, और पत्ती क्षतिग्रस्त नहीं होगी। क्रायोइलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से हम यही हासिल कर सकते हैं, और बैटरी सामग्री का उपयोग करते समय इमेजिंग में अंतर बहुत स्पष्ट है।"

इसलिए, क्रायो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने न केवल जैव रसायन विज्ञान में एक नए युग की शुरुआत की, बल्कि वैज्ञानिकों को पहली बार परमाणु स्तर पर लिथियम डेंड्राइट की पूरी संरचना को देखने की अनुमति भी दी। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि कार्बोनेट आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स में डेंड्राइट एक विशिष्ट दिशा में एकल क्रिस्टल नैनोवायर में बढ़ते हैं। उनमें से कुछ को विकास प्रक्रिया के दौरान गांठों का अनुभव हो सकता है, लेकिन उनकी क्रिस्टल संरचना बरकरार रहती है।

इस शोध में भाग लेने वाले स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के एक अन्य डॉक्टरेट छात्र युझांगली ने कहा कि सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस फेशियल मास्क (एसईआई) को भी देखा जा सकता है, और विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट्स में बनने वाले विभिन्न एसईआई नैनोस्ट्रक्चर का भी पता चला है। चूँकि बैटरी चार्ज और डिस्चार्ज होने पर धातु इलेक्ट्रोड पर भी वही कोटिंग बनती है, इसलिए बैटरी के कुशल उपयोग के लिए इसकी पीढ़ी और स्थिरता को नियंत्रित करना महत्वपूर्ण है।
क्रायो ईएम का उपयोग करके, वैज्ञानिक यह देख सकते हैं कि डेंड्राइट में परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन कैसे निकलते हैं, जिससे व्यक्तिगत परमाणुओं की स्थिति का पता चलता है। वैज्ञानिक परमाणुओं के बीच की दूरी भी माप सकते हैं, और परमाणु अंतर सटीक रूप से इंगित करता है कि वे लिथियम परमाणु हैं।
एसएलएसी द्वारा जारी प्रेस विज्ञप्ति से पता चलता है कि माइक्रोस्कोप के तहत, शोधकर्ता डेंड्राइट के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के तरीके का निरीक्षण करने के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग करते हैं, जिससे क्रिस्टल के फेशियल मास्क कोटिंग और उसके ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस में एक परमाणु की स्थिति का पता चलता है। . जब वे बैटरी के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले रसायनों को जोड़ते हैं, तो ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस फेशियल मास्क कोटिंग की परमाणु संरचना अधिक व्यवस्थित हो जाती है, जो यह समझाने में मदद करेगी कि एडिटिव्स एक भूमिका क्यों निभाते हैं।
"हम बहुत उत्साहित हैं। यह पहली बार है कि हम डेंड्राइट की इतनी विस्तृत छवि प्राप्त कर सकते हैं, और यह भी पहली बार है कि हम ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस फेशियल मास्क परत की नैनो संरचना देख सकते हैं।" यानबिनली ने कहा, "यह उपकरण हमें विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट्स की भूमिका को समझने में मदद कर सकता है, और क्यों कुछ इलेक्ट्रोलाइट्स दूसरों की तुलना में बेहतर प्रभाव डालते हैं।"
इन प्रयोगों से प्राप्त प्रासंगिक डेटा बैटरी विफलता तंत्र की एक और समझ प्रदान कर सकता है। यद्यपि यह कार्य क्रायो ईएम की व्यावहारिकता को प्रदर्शित करने के लिए एक उदाहरण के रूप में लिथियम धातु का उपयोग कर रहा है, इस विधि को लिथियम सिलिकॉन या सल्फर जैसे बीम संवेदनशील सामग्रियों से जुड़े अन्य अध्ययनों तक भी बढ़ाया जा सकता है। शोध दल ने यह भी कहा कि उन्होंने ठोस इलेक्ट्रोलाइट फेशियल मास्क परत के रासायनिक गुणों और संरचना की अधिक समझ पर ध्यान केंद्रित करने की योजना बनाई है।