रिचार्जेबल लिथियम आयन बैटरी का उपयोग हमारे रोजमर्रा के जीवन में लैपटॉप और सेलफोन से लेकर इलेक्ट्रिक कारों तक कई इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली देने के लिए किया जाता है।आज बाजार में लिथियम आयन बैटरियां आम तौर पर सेल के केंद्र में एक तरल समाधान पर निर्भर करती हैं, जिसे इलेक्ट्रोलाइट कहा जाता है।

जब बैटरी किसी उपकरण को शक्ति प्रदान कर रही होती है, तो लिथियम आयन ऋणात्मक रूप से चार्ज किए गए सिरे या एनोड से तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से धनात्मक रूप से चार्ज किए गए सिरे या कैथोड की ओर बढ़ते हैं।जब बैटरी को रिचार्ज किया जा रहा होता है, तो आयन कैथोड से इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड की ओर दूसरी दिशा में प्रवाहित होते हैं।

तरल इलेक्ट्रोलाइट्स पर निर्भर लिथियम आयन बैटरियों में एक प्रमुख सुरक्षा समस्या होती है: ओवरचार्ज या शॉर्ट सर्किट होने पर उनमें आग लग सकती है।तरल इलेक्ट्रोलाइट्स का एक सुरक्षित विकल्प एक ऐसी बैटरी बनाना है जो एनोड और कैथोड के बीच लिथियम आयनों को ले जाने के लिए ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है।

हालाँकि, पिछले अध्ययनों में पाया गया है कि एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के कारण छोटे धात्विक विकास होते हैं, जिन्हें डेंड्राइट कहा जाता है, जो बैटरी चार्ज होने के दौरान एनोड पर जमा हो जाते हैं।ये डेन्ड्राइट कम धारा पर बैटरियों को शॉर्ट सर्किट कर देते हैं, जिससे वे अनुपयोगी हो जाती हैं।

डेंड्राइट की वृद्धि इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के बीच की सीमा पर इलेक्ट्रोलाइट में छोटी खामियों से शुरू होती है।भारत में वैज्ञानिकों ने हाल ही में डेंड्राइट वृद्धि को धीमा करने का एक तरीका खोजा है।इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के बीच एक पतली धातु की परत जोड़कर, वे डेंड्राइट को एनोड में बढ़ने से रोक सकते हैं।

वैज्ञानिकों ने इस पतली धातु परत के निर्माण के लिए संभावित धातुओं के रूप में एल्यूमीनियम और टंगस्टन का अध्ययन करना चुना।इसका कारण यह है कि न तो एल्यूमीनियम और न ही टंगस्टन, या मिश्र धातु, लिथियम के साथ मिश्रित होते हैं।वैज्ञानिकों का मानना ​​था कि इससे लिथियम में खामियां पैदा होने की संभावना कम हो जाएगी।यदि चुनी गई धातु लिथियम के साथ मिश्रित होती है, तो लिथियम की थोड़ी मात्रा समय के साथ धातु की परत में जा सकती है।इससे लिथियम में एक प्रकार का दोष निकल जाएगा जिसे शून्य कहा जाता है जहां डेंड्राइट बन सकता है।

धातु परत की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए, तीन प्रकार की बैटरियों को इकट्ठा किया गया: एक लिथियम एनोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच एल्यूमीनियम की एक पतली परत के साथ, एक टंगस्टन की एक पतली परत के साथ, और एक बिना धातु की परत के साथ।

बैटरियों का परीक्षण करने से पहले, वैज्ञानिकों ने एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच की सीमा को बारीकी से देखने के लिए एक उच्च शक्ति वाले माइक्रोस्कोप का उपयोग किया, जिसे स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप कहा जाता है।उन्होंने नमूने में बिना किसी धातु की परत के छोटे अंतराल और छेद देखे, यह देखते हुए कि ये खामियां डेंड्राइट के बढ़ने की संभावित जगह हैं।एल्यूमीनियम और टंगस्टन परतों वाली दोनों बैटरियां चिकनी और निरंतर दिखती थीं।

पहले प्रयोग में, प्रत्येक बैटरी के माध्यम से 24 घंटे तक एक निरंतर विद्युत धारा प्रवाहित की गई।बिना किसी धातु की परत वाली बैटरी शॉर्ट सर्किट हो गई और डेंड्राइट वृद्धि के कारण पहले 9 घंटों के भीतर विफल हो गई।इस प्रारंभिक प्रयोग में एल्यूमीनियम या टंगस्टन वाली कोई भी बैटरी विफल नहीं हुई।

यह निर्धारित करने के लिए कि डेन्ड्राइट वृद्धि को रोकने में कौन सी धातु की परत बेहतर है, एल्यूमीनियम और टंगस्टन परत के नमूनों पर एक और प्रयोग किया गया।इस प्रयोग में, बैटरियों को वर्तमान घनत्व में वृद्धि के माध्यम से चक्रित किया गया, जो पिछले प्रयोग में उपयोग किए गए वर्तमान से शुरू हुआ और प्रत्येक चरण में थोड़ी मात्रा में बढ़ गया।

माना जाता है कि जिस वर्तमान घनत्व पर बैटरी में शॉर्ट सर्किट हुआ, वह डेंड्राइट वृद्धि के लिए महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व माना जाता था।एल्यूमीनियम परत वाली बैटरी शुरुआती धारा से तीन गुना अधिक पर विफल हो गई, और टंगस्टन परत वाली बैटरी शुरुआती धारा से पांच गुना अधिक पर विफल हो गई।इस प्रयोग से पता चलता है कि टंगस्टन ने एल्यूमीनियम से बेहतर प्रदर्शन किया।

फिर से, वैज्ञानिकों ने एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच की सीमा का निरीक्षण करने के लिए एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग किया।उन्होंने देखा कि पिछले प्रयोग में मापे गए महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व के दो तिहाई पर धातु की परत में रिक्तियां बनने लगीं।हालाँकि, महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व के एक तिहाई पर रिक्तियाँ मौजूद नहीं थीं।इससे पुष्टि हुई कि शून्य गठन डेंड्राइट वृद्धि को आगे बढ़ाता है।

इसके बाद वैज्ञानिकों ने यह समझने के लिए कम्प्यूटेशनल गणना की कि लिथियम इन धातुओं के साथ कैसे संपर्क करता है, हम जो जानते हैं उसका उपयोग करते हुए कि टंगस्टन और एल्यूमीनियम ऊर्जा और तापमान परिवर्तनों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं।उन्होंने प्रदर्शित किया कि लिथियम के साथ बातचीत करते समय एल्युमीनियम परतों में रिक्त स्थान के विकास की संभावना अधिक होती है।इन गणनाओं का उपयोग करने से भविष्य में परीक्षण के लिए किसी अन्य प्रकार की धातु का चयन करना आसान हो जाएगा।

इस अध्ययन से पता चला है कि जब इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के बीच एक पतली धातु की परत जोड़ी जाती है तो ठोस इलेक्ट्रोलाइट बैटरियां अधिक विश्वसनीय होती हैं।वैज्ञानिकों ने यह भी प्रदर्शित किया कि एक धातु को दूसरे के ऊपर चुनने से, इस मामले में एल्यूमीनियम के बजाय टंगस्टन से, बैटरी अधिक समय तक चल सकती है।इस प्रकार की बैटरियों के प्रदर्शन में सुधार करने से वे आज बाजार में मौजूद अत्यधिक ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट बैटरियों को बदलने के एक कदम और करीब आ जाएंगी।