रिचार्जेबल लिथियम आयन बैटरियों का उपयोग हमारे रोजमर्रा के जीवन में कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को चलाने के लिए किया जाता है, जैसे लैपटॉप, मोबाइल फोन और इलेक्ट्रिक कारें। आज बाजार में उपलब्ध लिथियम आयन बैटरियां आमतौर पर सेल के केंद्र में इलेक्ट्रोलाइट नामक एक तरल घोल पर निर्भर करती हैं।
जब बैटरी किसी उपकरण को शक्ति प्रदान कर रही होती है, तो लिथियम आयन ऋणात्मक आवेशित सिरे (एनोड) से तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से धनात्मक आवेशित सिरे (कैथोड) की ओर गति करते हैं। बैटरी को रिचार्ज करते समय, आयन कैथोड से इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड की ओर विपरीत दिशा में प्रवाहित होते हैं।
तरल इलेक्ट्रोलाइट पर आधारित लिथियम आयन बैटरियों में एक बड़ी सुरक्षा समस्या है: ओवरचार्ज होने या शॉर्ट सर्किट होने पर इनमें आग लग सकती है। तरल इलेक्ट्रोलाइट का एक सुरक्षित विकल्प ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके ऐसी बैटरी बनाना है जो एनोड और कैथोड के बीच लिथियम आयनों को ले जाए।
हालांकि, पिछले अध्ययनों में पाया गया है कि ठोस इलेक्ट्रोलाइट के कारण छोटे धात्विक उभार (जिन्हें डेंड्राइट्स कहा जाता है) बनते हैं, जो बैटरी चार्जिंग के दौरान एनोड पर जमा हो जाते हैं। ये डेंड्राइट्स कम करंट पर बैटरी को शॉर्ट सर्किट कर देते हैं, जिससे बैटरी अनुपयोगी हो जाती है।
इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के बीच की सीमा पर इलेक्ट्रोलाइट में मौजूद छोटी-छोटी खामियों से डेंड्राइट का विकास शुरू होता है। भारत के वैज्ञानिकों ने हाल ही में डेंड्राइट के विकास को धीमा करने का एक तरीका खोजा है। इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के बीच एक पतली धातु की परत लगाकर, वे डेंड्राइट को एनोड में बढ़ने से रोक सकते हैं।
वैज्ञानिकों ने इस पतली धातु की परत को बनाने के लिए एल्युमीनियम और टंगस्टन को संभावित धातुओं के रूप में चुना। इसका कारण यह है कि न तो एल्युमीनियम और न ही टंगस्टन लिथियम के साथ मिश्रित होते हैं या मिश्रधातु बनाते हैं। वैज्ञानिकों का मानना था कि इससे लिथियम में दोष उत्पन्न होने की संभावना कम हो जाएगी। यदि चुनी गई धातु लिथियम के साथ मिश्रित हो जाती, तो समय के साथ थोड़ी मात्रा में लिथियम धातु की परत में प्रवेश कर सकता था। इससे लिथियम में एक प्रकार का दोष उत्पन्न हो जाता जिसे रिक्त स्थान कहते हैं, जहाँ बाद में एक डेंड्राइट का निर्माण हो सकता था।
धात्विक परत की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए, तीन प्रकार की बैटरियों का निर्माण किया गया: एक में लिथियम एनोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच एल्यूमीनियम की एक पतली परत थी, एक में टंगस्टन की एक पतली परत थी, और एक में कोई धात्विक परत नहीं थी।
बैटरी का परीक्षण करने से पहले, वैज्ञानिकों ने स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप नामक एक उच्च शक्ति वाले माइक्रोस्कोप का उपयोग करके एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच की सीमा का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने बिना धात्विक परत वाले नमूने में छोटे अंतराल और छेद देखे, और पाया कि ये खामियां डेंड्राइट्स के विकास के लिए संभावित स्थान हैं। एल्युमीनियम और टंगस्टन दोनों परतों वाली बैटरियां चिकनी और निरंतर दिखाई दीं।
पहले प्रयोग में, प्रत्येक बैटरी में 24 घंटे तक एक स्थिर विद्युत धारा प्रवाहित की गई। धातु की परत रहित बैटरी पहले 9 घंटों के भीतर ही शॉर्ट सर्किट होकर खराब हो गई, संभवतः डेंड्राइट के विकास के कारण। इस प्रारंभिक प्रयोग में एल्युमीनियम या टंगस्टन से बनी कोई भी बैटरी खराब नहीं हुई।
यह निर्धारित करने के लिए कि कौन सी धातु परत डेंड्राइट वृद्धि को रोकने में बेहतर है, केवल एल्यूमीनियम और टंगस्टन परत के नमूनों पर एक और प्रयोग किया गया। इस प्रयोग में, बैटरियों को बढ़ती हुई धारा घनत्वों के माध्यम से चलाया गया, जिसकी शुरुआत पिछले प्रयोग में प्रयुक्त धारा से हुई और प्रत्येक चरण में थोड़ी-थोड़ी वृद्धि की गई।
जिस धारा घनत्व पर बैटरी में शॉर्ट सर्किट हुआ, उसे डेंड्राइट वृद्धि के लिए क्रांतिक धारा घनत्व माना जाता था। एल्युमीनियम परत वाली बैटरी प्रारंभिक धारा से तीन गुना अधिक धारा पर विफल हो गई, और टंगस्टन परत वाली बैटरी प्रारंभिक धारा से पांच गुना अधिक धारा पर विफल हो गई। इस प्रयोग से पता चलता है कि टंगस्टन ने एल्युमीनियम से बेहतर प्रदर्शन किया।
वैज्ञानिकों ने एक बार फिर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच की सीमा का निरीक्षण किया। उन्होंने देखा कि पिछले प्रयोग में मापी गई क्रांतिक धारा घनत्व के दो तिहाई पर धातु की परत में रिक्त स्थान बनने लगे थे। हालांकि, क्रांतिक धारा घनत्व के एक तिहाई पर रिक्त स्थान मौजूद नहीं थे। इससे यह पुष्टि हुई कि रिक्त स्थानों का निर्माण डेंड्राइट वृद्धि से पहले होता है।
वैज्ञानिकों ने टंगस्टन और एल्युमीनियम की ऊर्जा और तापमान में परिवर्तन के प्रति प्रतिक्रिया को समझने के लिए गणनात्मक प्रयोग किए ताकि यह पता चल सके कि लिथियम इन धातुओं के साथ कैसे प्रतिक्रिया करता है। उन्होंने यह प्रदर्शित किया कि लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करने पर एल्युमीनियम की परतों में रिक्त स्थान बनने की संभावना वास्तव में अधिक होती है। इन गणनाओं का उपयोग करके भविष्य में परीक्षण के लिए किसी अन्य प्रकार की धातु का चयन करना आसान हो जाएगा।
इस अध्ययन से पता चला है कि इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के बीच एक पतली धातु की परत लगाने से ठोस इलेक्ट्रोलाइट बैटरियां अधिक विश्वसनीय हो जाती हैं। वैज्ञानिकों ने यह भी प्रदर्शित किया कि एक धातु के स्थान पर दूसरी धातु का चयन करने से, इस मामले में एल्यूमीनियम के स्थान पर टंगस्टन का चयन करने से, बैटरियों का जीवनकाल और भी बढ़ सकता है। इन प्रकार की बैटरियों के प्रदर्शन में सुधार से वे आज बाजार में मौजूद अत्यधिक ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों को प्रतिस्थापित करने के एक कदम और करीब आ जाएंगी।
पोस्ट करने का समय: 7 सितंबर 2022