पहली बार, शोधकर्ताओं ने देखा है कि लिथियम आयन बैटरी इंटरफेस में कैसे प्रवाहित होते हैं, जो इंजीनियरों को सामग्री के डिजाइन को अनुकूलित करने में मदद कर सकता है। एमआईटी, स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी, एसएलएसी नेशनल एक्सेलेरेटर और टोयोटा रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने एक महत्वपूर्ण बैटरी सामग्री लिथियम आयरन फॉस्फेट को समझने में महत्वपूर्ण प्रगति की है। उन्नत एक्स-रे छवि विश्लेषण का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि सामग्री की दक्षता में परिवर्तन कार्बन कोटिंग की मोटाई से संबंधित हैं। इस खोज से बैटरी के प्रदर्शन में सुधार हो सकता है।
एमआईटी, स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी, एसएलएसी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी और टोयोटा रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बैटरी साइक्लिंग के दौरान बैटरी इलेक्ट्रोड नैनोकणों (बाएं) में प्रवेश करने और बाहर निकलने वाले लिथियम आयनों की एक्स-रे छवियों का पुन: विश्लेषण करने के लिए मशीन लर्निंग का उपयोग किया। इस छवि में झूठे रंग प्रत्येक कण की आवेश स्थिति को दर्शाते हैं और व्यक्तिगत कणों के अंदर अमानवीय प्रक्रियाओं को प्रकट करते हैं। छवि स्रोत: Cube3D
एक्स-रे छवि डेटा का खनन करके, एमआईटी, स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी, एसएलएसी नेशनल एक्सेलेरेटर और टोयोटा रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रिक कार बैटरी और अन्य रिचार्जेबल बैटरी में उपयोग की जाने वाली सामग्री लिथियम आयरन फॉस्फेट की प्रतिक्रियाशीलता के बारे में महत्वपूर्ण नई खोज की है।
नई तकनीक ने कुछ पहले से अनदेखी घटनाओं का खुलासा किया, जिसमें लिथियम आयरन फॉस्फेट नैनोकणों के विभिन्न क्षेत्रों में लिथियम इंटरकलेशन प्रतिक्रियाओं की दर में बदलाव भी शामिल है।
पेपर की सबसे महत्वपूर्ण व्यावहारिक खोज यह है कि इन प्रतिक्रिया दरों में परिवर्तन कणों की सतह पर कार्बन कोटिंग की मोटाई में अंतर से संबंधित हैं, जो ऐसी बैटरियों की चार्ज और डिस्चार्ज दक्षता में सुधार कर सकता है।
एक्स-रे छवियों का खनन करके, एमआईटी शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रिक कार बैटरी और अन्य रिचार्जेबल बैटरी में उपयोग की जाने वाली सामग्री लिथियम आयरन फॉस्फेट की प्रतिक्रियाशीलता के बारे में एक बड़ी नई खोज की है। चित्र में कणों के प्रत्येक जोड़े में, वास्तविक कण बाईं ओर है और शोधकर्ताओं का अनुरूपित कण दाईं ओर है। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग
"इस अध्ययन से हमने जो सीखा वह यह है कि यह इंटरफ़ेस है जो वास्तव में बैटरी की गतिशीलता को नियंत्रित करता है, विशेष रूप से सक्रिय सामग्रियों के नैनोकणों से बनी आज की आधुनिक बैटरियों में।" मार्टिन बाज़ेंट, अध्ययन के वरिष्ठ लेखक और ई.जी. रोस केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और एमआईटी में गणित के प्रोफेसर।
छवियों में जटिल पैटर्न के पीछे भौतिकी की खोज करने की इस विधि का उपयोग कई अन्य सामग्रियों में भी किया जा सकता है, जिसमें न केवल अन्य प्रकार की बैटरी बल्कि विकासशील भ्रूण की विभाजित कोशिकाएं जैसे जैविक सिस्टम भी शामिल हैं।
"मुझे लगता है कि इस काम के बारे में सबसे रोमांचक बात यह है कि हम एक ऐसी प्रणाली की छवियां लेने में सक्षम हैं जो एक पैटर्न बना रही है और उन सिद्धांतों को सीख सकते हैं जो उस पैटर्न को नियंत्रित करते हैं," बज़ेंट ने कहा।
सहयोगात्मक अनुसंधान
नए अध्ययन के पहले लेखक डॉ. होंगबो झाओ, एमआईटी में स्नातक छात्र थे और अब प्रिंसटन विश्वविद्यालय में पोस्टडॉक हैं। अन्य लेखकों में एमआईटी में केमिकल इंजीनियरिंग के एडविन आर. गिलिलैंड प्रोफेसर रिचर्ड ब्रैट्ज़, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर और एसएलएसी-स्टैनफोर्ड बैटरी सेंटर के निदेशक विलियम चुएह, और टोयोटा रिसर्च इंस्टीट्यूट में ऊर्जा और सामग्री के वरिष्ठ निदेशक ब्रायन स्टोरी शामिल हैं।
चुएह ने कहा, "अब तक, हम काम पर बैटरी नैनोकणों की सुंदर एक्स-रे फिल्में बनाने में सक्षम थे, लेकिन वे कैसे काम करते हैं इसके सूक्ष्म विवरणों को मापना और समझना मुश्किल था क्योंकि फिल्में बहुत जानकारीपूर्ण थीं।" "इन नैनोस्केल फिल्मों से छवि सीखकर, हम वह अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकते हैं जो पहले अनुपलब्ध थी।"
प्रतिक्रिया दर मॉडलिंग
लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट समाधान से घिरे कई छोटे लिथियम आयरन फॉस्फेट कणों से बने होते हैं। विशिष्ट कण लगभग 1 माइक्रोन व्यास और लगभग 100 नैनोमीटर मोटे होते हैं। जैसे ही बैटरी डिस्चार्ज होती है, लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट घोल से आयन इंटरकलेशन नामक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया के माध्यम से सामग्री में प्रवाहित होते हैं। जब बैटरी को चार्ज किया जाता है, तो अंतर्संबंध प्रतिक्रिया उलट जाती है और आयन विपरीत दिशा में प्रवाहित होते हैं।
स्टोरी ने कहा, "लिथियम आयरन फॉस्फेट (एलएफपी) अपनी कम लागत, अच्छे सुरक्षा गुणों और प्रचुर तत्वों के उपयोग के कारण एक महत्वपूर्ण बैटरी सामग्री है।" "हम इलेक्ट्रिक वाहन बाजार में लिथियम आयरन फॉस्फेट का बढ़ता उपयोग देख रहे हैं, इसलिए इस अध्ययन का समय इससे बेहतर नहीं हो सकता।"
इस अध्ययन से पहले, बाज़ेंट ने लिथियम आयन इंटरकलेशन गठन के तरीकों पर व्यापक सैद्धांतिक मॉडलिंग का संचालन किया था। लिथियम आयरन फॉस्फेट दो स्थिर चरणों में से एक में मौजूद रहना पसंद करता है: या तो लिथियम आयनों से भरा हुआ या खाली। 2005 से, बाज़ेंट इस घटना के गणितीय मॉडल पर काम कर रहा है, जिसे चरण पृथक्करण के रूप में जाना जाता है, जो इंटरकलेशन प्रतिक्रियाओं द्वारा संचालित होता है जो अद्वितीय लिथियम आयन प्रवाह पैटर्न उत्पन्न करता है। 2015 में, स्टैनफोर्ड में विश्राम के दौरान, उन्होंने स्कैनिंग टनलिंग एक्स-रे माइक्रोस्कोपी के माध्यम से लिथियम आयरन फॉस्फेट कणों की छवियों की व्याख्या करने की कोशिश करने के लिए चुएह के साथ काम करना शुरू किया।
इस माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, शोधकर्ता ऐसी छवियां प्राप्त कर सकते हैं जो पिक्सेल दर पिक्सेल, कण के प्रत्येक बिंदु पर लिथियम आयनों की सांद्रता दिखाती हैं। वे चार्ज या डिस्चार्ज होने पर कण को कई बार स्कैन कर सकते हैं, जिससे यह पता चलता है कि लिथियम आयन कण के अंदर और बाहर कैसे जाते हैं।
2017 में, एसएलएसी में बाज़ेंट और उनके सहयोगियों को बैटरी से संबंधित अन्य अनुसंधान परियोजनाओं के साथ-साथ इस दृष्टिकोण का उपयोग करके आगे के शोध करने के लिए टोयोटा रिसर्च इंस्टीट्यूट से धन प्राप्त हुआ।
अंतर्दृष्टि और निष्कर्ष
63 लिथियम आयरन फॉस्फेट कणों की एक्स-रे छवियों का विश्लेषण करके, जब वे चार्ज और डिस्चार्ज हो रहे थे, शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री के अंदर लिथियम आयनों की गति बज़ेंट द्वारा बनाए गए पिछले कंप्यूटर सिमुलेशन के लगभग समान थी। शोधकर्ताओं ने समीकरण उत्पन्न करने के लिए कम्प्यूटेशनल मॉडल को प्रशिक्षित करने के लिए माप डेटा के रूप में सभी 180,000 पिक्सल का उपयोग किया जो बैटरी सामग्री के गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स और प्रतिक्रिया कैनेटीक्स का सटीक वर्णन करता है।
बज़ेंट ने कहा, "अंदर का हर छोटा पिक्सेल पूर्ण से रिक्त, पूर्ण से रिक्त की ओर जा रहा है। हम अपने समीकरणों का उपयोग करके यह समझने के लिए पूरी प्रक्रिया का मानचित्रण कर रहे हैं कि यह कैसे होता है।"
शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि उनके द्वारा देखे गए लिथियम आयन प्रवाह पैटर्न कण सतह पर प्रत्येक स्थान पर लिथियम आयनों को अवशोषित करने की गति में स्थानिक भिन्नता प्रकट कर सकते हैं।
"यह वास्तव में हमें आश्चर्यचकित करता है कि हम सिस्टम में विविधताओं को समझने के लिए छवियों को देख सकते हैं - इस मामले में, सतह की प्रतिक्रिया दरों में परिवर्तन। कुछ क्षेत्र बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करते प्रतीत होते हैं, और कुछ क्षेत्र बहुत धीमी गति से प्रतिक्रिया करते प्रतीत होते हैं," बज़ेंट ने कहा।
इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रतिक्रिया दर में ये अंतर लिथियम आयरन फॉस्फेट कणों की सतह पर कार्बन कोटिंग की मोटाई से संबंधित थे। लिथियम आयरन फॉस्फेट पर कार्बन कोटिंग बिजली का संचालन करने में मदद करती है - अन्यथा, सामग्री बैटरी के रूप में उपयोगी होने के लिए बहुत धीमी गति से बिजली का संचालन करेगी।
नैनोस्केल पर, कार्बन कोटिंग की मोटाई में परिवर्तन सीधे चालकता को नियंत्रित करते हैं, कुछ ऐसा जो इन मॉडलिंग और छवि विश्लेषणों के बिना कभी नहीं खोजा जा सकता था। निष्कर्ष कई साल पहले बाज़ेंट द्वारा प्रस्तावित एक परिकल्पना के लिए मात्रात्मक समर्थन भी प्रदान करते हैं: लिथियम आयरन फॉस्फेट इलेक्ट्रोड का प्रदर्शन मुख्य रूप से ठोस में लिथियम आयन प्रसार की दर के बजाय ठोस कणों और कार्बन कोटिंग के बीच इंटरफेस पर युग्मित आयन-इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की दर से सीमित होता है।
सामग्री का अनुकूलन करें
शोधकर्ताओं ने कहा, इस अध्ययन के नतीजे बताते हैं कि इलेक्ट्रोड सतह पर कार्बन परत की मोटाई को अनुकूलित करने से शोधकर्ताओं को ऐसी बैटरियां डिजाइन करने में मदद मिल सकती है जो अधिक कुशलता से काम करती हैं।
यह पहला अध्ययन है जो बैटरी सामग्री के गुणों को कोटिंग के भौतिक गुणों से सीधे जोड़ने में सक्षम है। बैटरियों को अनुकूलित करने और डिज़ाइन करने का ध्यान इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस पर प्रतिक्रिया कैनेटीक्स को नियंत्रित करने पर होना चाहिए।
स्टोरी ने कहा, "इस पेपर का प्रकाशन छह साल की कड़ी मेहनत और सहयोग का परिणाम है।" "यह तकनीक हमें बैटरी की आंतरिक कार्यप्रणाली को इस तरह से उजागर करने की अनुमति देती है जो पहले कभी संभव नहीं थी। हमारा अगला लक्ष्य इस नई समझ को लागू करके बैटरी डिजाइन में सुधार करना है।"
अन्य बैटरी सामग्रियों पर इस विश्लेषणात्मक पद्धति का उपयोग करने के अलावा, बज़ेंट का अनुमान है कि इसका उपयोग अन्य रासायनिक और जैविक प्रणालियों में पैटर्न निर्माण का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है।