सार:
चीनी शोधकर्ताओं ने लिथियम धातु एनोड के लिए एक पतली सुरक्षात्मक कोटिंग विकसित की है, जिससे लंबे समय से ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के सामने आने वाली प्रमुख तकनीकी समस्याओं का समाधान होने की उम्मीद है। प्रयोगशाला परीक्षणों में, इस कोटिंग से उपचारित बैटरियों ने 300 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद अपनी प्रारंभिक क्षमता का 82.3% बनाए रखा; इसकी तुलना में, अनुपचारित लिथियम धातु का उपयोग करने वाली एक नियंत्रण बैटरी ने केवल 43.0% की क्षमता प्रतिधारण दर बनाए रखी।
यह शोध शीआन यूनिवर्सिटी ऑफ़ इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी की वैज्ञानिक अनुसंधान टीम द्वारा पूरा किया गया था, और परिणाम "साइंस चाइना केमिस्ट्री" में प्रकाशित किए गए थे। शोधकर्ता लिथियम धातु की सतह पर एक सुरक्षात्मक परत बनाने के लिए एक सरल तरल रासायनिक उपचार का उपयोग करते हैं, जो अगली पीढ़ी की बैटरियों की स्थिरता और सेवा जीवन में सुधार के लिए नए विचार प्रदान करता है।
लिथियम धातु को उच्च-ऊर्जा-घनत्व बैटरियों के लिए एक महत्वपूर्ण उम्मीदवार सामग्री माना जाता है, और इसे ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र में "होली ग्रेल" भी कहा जाता है। सैद्धांतिक रूप से, लिथियम धातु पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड के प्रति ग्राम की तुलना में लगभग दस गुना अधिक बिजली संग्रहीत कर सकती है। यदि इस लाभ का पूरी तरह से उपयोग किया जा सकता है, तो भविष्य की बैटरियों में समान वजन के तहत अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने की उम्मीद है, जिससे बैटरी पैक का वजन कम हो जाएगा और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए लंबी क्रूज़िंग रेंज आएगी।
हालांकि, चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान लिथियम धातु के असमान जमाव का खतरा होता है, जिससे लिथियम डेंड्राइट नामक तेज संरचनाएं बनती हैं। ये डेंड्राइट बढ़ते रह सकते हैं और अंततः बैटरी की आंतरिक संरचना को छेद सकते हैं, जिससे शॉर्ट सर्किट और सुरक्षा जोखिम हो सकते हैं। साथ ही, लिथियम धातु और सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच रासायनिक स्थिरता के मुद्दे भी हैं, और इंटरफेशियल प्रतिक्रियाएं बैटरी के प्रदर्शन और चक्र जीवन को प्रभावित करेंगी। ये समस्याएं हमेशा लिथियम मेटल ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के व्यावहारिक अनुप्रयोग में महत्वपूर्ण बाधाएं रही हैं।
इस समस्या को हल करने के लिए, ली सिवू, वू वेईवेई और यू चुआंग सहित शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सिलिकॉन-आधारित पॉलिमर को इंडियम क्लोराइड के साथ मिलाकर एक तरल अग्रदूत तैयार किया जिसे सीधे लिथियम धातु की सतह पर लेपित किया जा सकता है। कोटिंग सामग्री लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करने के बाद, सतह पर केवल 12 माइक्रोन की मोटाई वाली एक समग्र सुरक्षात्मक फिल्म बनेगी, जिसमें लिथियम फ्लोराइड और लिथियम इंडियम मिश्र धातु नैनोकणों जैसे घटक शामिल हैं।
यह सुरक्षात्मक फिल्म न केवल लिथियम धातु को बाहरी दुनिया से अलग करती है, बल्कि विभिन्न सामग्रियों के तालमेल के माध्यम से बैटरी के अंदर लिथियम आयन जमाव प्रक्रिया में सुधार करती है। पॉलिमर कंकाल में कुछ हद तक लचीलापन होता है और यह चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम धातु के बार-बार विस्तार और संकुचन के कारण होने वाले यांत्रिक तनाव के अनुकूल हो सकता है; लिथियम फ्लोराइड इलेक्ट्रॉनों को अवरुद्ध कर सकता है और लिथियम डेंड्राइट्स के न्यूक्लियेशन और विकास को रोक सकता है; लिथियम इंडियम मिश्र धातु नैनोकण लिथियम आयनों के एक समान जमाव को निर्देशित करने में मदद करते हैं और खतरनाक तेज संरचनाओं को बनाने के लिए लिथियम के केंद्रित संचय से बचते हैं।
प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि लेपित लिथियम धातु इलेक्ट्रोड का महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व 3.5 मिलीमीटर प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक पहुंचता है, जो अनुपचारित इलेक्ट्रोड के चार गुना से अधिक है, जो कि 0.8 मिलीमीटर प्रति वर्ग सेंटीमीटर है। महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व बैटरी की असमान लिथियम जमाव और डेंड्राइट वृद्धि का विरोध करने की क्षमता का एक महत्वपूर्ण संकेतक है। मूल्य में वृद्धि का मतलब है कि बैटरी के उच्च वर्तमान घनत्व पर स्थिर संचालन बनाए रखने की उम्मीद है।
फिर शोधकर्ताओं ने इस सुरक्षात्मक इलेक्ट्रोड को पूरी बैटरी पर लागू किया। परीक्षण बैटरी निकल कोबाल्ट मैंगनीज ऑक्साइड पॉजिटिव इलेक्ट्रोड और सल्फाइड सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है, और प्रारंभिक क्षमता 0.5C दर पर 129.8 एमएएच प्रति ग्राम तक पहुंच जाती है। 300 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद, बैटरी ने अभी भी अपनी प्रारंभिक क्षमता का 82.3% बरकरार रखा है। इसके विपरीत, असुरक्षित लिथियम धातु इलेक्ट्रोड का उपयोग करते समय, क्षमता प्रतिधारण दर केवल 43.0% है, और दोनों के बीच का अंतर बहुत स्पष्ट है।
वर्णक्रमीय विश्लेषण और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप अवलोकन ने सुरक्षात्मक परत की संरचना और संरचना की और पुष्टि की। शोधकर्ताओं ने पाया कि कोटिंग ने एक अपेक्षाकृत घनी और समान फिल्म बनाई, और कोई स्पष्ट दरार या खालीपन नहीं देखा गया, जिससे संरचनात्मक स्तर के सबूत भी मिले कि यह लिथियम धातु और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफेस की लगातार रक्षा कर सकता है।
इस तकनीक की एक और उल्लेखनीय विशेषता इसकी संभावित औद्योगिक अनुकूलन क्षमता है। कुछ इलेक्ट्रोड सतह संशोधन प्रौद्योगिकियों के विपरीत, जिनके लिए जटिल वैक्यूम उपचार प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, यह सुरक्षात्मक फिल्म एक तरल अग्रदूत के साथ सीधे कोटिंग और लिथियम धातु की सतह पर प्रतिक्रिया करके बनाई जाती है। सिद्धांत रूप में, उत्पादन के लिए मौजूदा औद्योगिक कोटिंग उपकरण का उपयोग करने का अवसर है, जिससे विनिर्माण प्रक्रिया की जटिलता और लागत कम हो जाती है।
अनुसंधान टीम सामग्री फार्मूले को और अधिक अनुकूलित करने के लिए टिन, जस्ता और अन्य तत्वों के साथ इंडियम को प्रतिस्थापित करने की भी योजना बना रही है। इंडियम एक अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगी धातु है। यदि समान प्रदर्शन और कम लागत वाली वैकल्पिक सामग्री मिल सके, तो यह भविष्य में इस तकनीक के बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग के अर्थशास्त्र को बेहतर बनाने में मदद करेगी।
हालाँकि, यह उपलब्धि अभी भी प्रयोगशाला अनुसंधान चरण में है। प्रयोग में प्राप्त चक्र प्रदर्शन में सुधार का मतलब यह नहीं है कि संबंधित बैटरियां व्यावसायीकरण के लिए तैयार हैं। भविष्य में, लंबी चक्र अवधि, बड़ी बैटरी क्षमता, विभिन्न तापमान वातावरण और वास्तविक उत्पादन स्थितियों के तहत इसके प्रदर्शन को और सत्यापित करना आवश्यक है, साथ ही सामग्री लागत, विनिर्माण स्थिरता और दीर्घकालिक इंटरफ़ेस स्थिरता जैसे मुद्दों को भी हल करना आवश्यक है।
शोधकर्ताओं का मानना है कि सीटू में बनी यह समग्र सुरक्षात्मक परत लिथियम धातु एनोड को स्थिर करने के लिए अपेक्षाकृत सरल तकनीकी मार्ग प्रदान करती है। यदि बाद के शोध वास्तविक बैटरियों में इसकी विश्वसनीयता साबित कर सकते हैं और कम लागत, बड़े पैमाने पर विनिर्माण प्राप्त कर सकते हैं, तो यह उच्च-ऊर्जा-घनत्व ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों को इलेक्ट्रिक वाहनों और बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के करीब एक कदम आगे बढ़ा सकता है।
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