अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं के पास लिथियम-आयन बैटरी के क्षेत्र में अग्रणी खोजों का एक लंबा इतिहास है। इनमें से कई परिणाम बैटरी कैथोड, जिन्हें एनएमसी, निकल मैंगनीज और कोबाल्ट ऑक्साइड कहा जाता है, के लिए हैं। इस कैथोड वाली बैटरी अब शेवरले बोल्ट को शक्ति प्रदान करती है।
आर्गन शोधकर्ताओं ने एनएमसी कैथोड में एक और सफलता हासिल की है। टीम की नई छोटी कैथोड कण संरचना बैटरी को अधिक टिकाऊ और सुरक्षित बना सकती है, बहुत उच्च वोल्टेज पर काम करने में सक्षम और लंबी यात्रा रेंज प्रदान कर सकती है।
"अब हमारे पास मार्गदर्शन है कि बैटरी निर्माता उच्च दबाव, सीमा रहित कैथोड सामग्री बनाने के लिए उपयोग कर सकते हैं," खलील अमीन, आर्गन फेलो एमेरिटस।
सहायक रसायनज्ञ गुइलियांग जू ने कहा, "मौजूदा एनएमसी कैथोड उच्च वोल्टेज कार्य के लिए एक बड़ी बाधा उत्पन्न करते हैं।" चार्ज-डिस्चार्ज साइकलिंग के साथ, कैथोड कणों में दरारें बनने के कारण प्रदर्शन तेजी से गिरता है। दशकों से, बैटरी शोधकर्ता इन दरारों को ठीक करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं।
अतीत में एक विधि में कई छोटे कणों से बने छोटे गोलाकार कणों का उपयोग किया जाता था। बड़े गोलाकार कण पॉलीक्रिस्टलाइन होते हैं, जिनमें विभिन्न अभिविन्यास के क्रिस्टलीय डोमेन होते हैं। परिणामस्वरूप, उनमें वह स्थिति होती है जिसे वैज्ञानिक कणों के बीच अनाज सीमाएँ कहते हैं, जो एक चक्र के दौरान बैटरी में दरार पैदा कर सकती है। इसे रोकने के लिए, जू और आर्गोन के सहयोगियों ने पहले प्रत्येक कण के चारों ओर एक सुरक्षात्मक बहुलक कोटिंग विकसित की थी। यह कोटिंग बड़े गोलाकार कणों और उनके भीतर छोटे कणों को घेर लेती है।
इस प्रकार की दरार से बचने का दूसरा तरीका एकल क्रिस्टल कणों का उपयोग करना है। इन कणों की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से पता चला कि उनकी कोई सीमा नहीं है।
टीम के लिए समस्या यह थी कि लेपित पॉलीक्रिस्टल और एकल क्रिस्टल से बने कैथोड अभी भी साइकिल चलाने के दौरान टूटते थे। इसलिए, उन्होंने अमेरिकी ऊर्जा विभाग के आर्गोन साइंस सेंटर में एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) और सेंटर फॉर नैनोमटेरियल्स (सीएनएम) में इन कैथोड सामग्रियों का व्यापक विश्लेषण किया।
पांच एपीएस हथियारों (11-बीएम, 20-बीएम, 2-आईडी-डी, 11-आईडी-सी और 34-आईडी-ई) पर विभिन्न एक्स-रे विश्लेषण किए गए। यह पता चला है कि वैज्ञानिकों ने जिसे एक एकल क्रिस्टल समझा था, जैसा कि इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे माइक्रोस्कोपी द्वारा दिखाया गया था, वास्तव में अंदर एक सीमा थी। सीएनएम की स्कैनिंग और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने इस निष्कर्ष की पुष्टि की।
भौतिक विज्ञानी वेनजुन लियू ने कहा, "जब हमने इन कणों की सतह आकृति विज्ञान को देखा, तो वे एकल क्रिस्टल की तरह दिखे।" â???发现边界隐藏在内部.'' â??? यह एक अच्छा विचार है।""हालांकि, जब हमने एपीएस में सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे विवर्तन माइक्रोस्कोपी और अन्य तकनीकों नामक तकनीक का उपयोग किया, तो हमने पाया कि सीमाएं अंदर छिपी हुई थीं।"
महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने बिना सीमाओं के एकल क्रिस्टल बनाने की एक विधि विकसित की है। इस एकल-क्रिस्टल कैथोड के साथ बहुत उच्च वोल्टेज पर छोटी कोशिकाओं का परीक्षण करने से प्रति यूनिट मात्रा में ऊर्जा भंडारण में 25% की वृद्धि देखी गई और 100 परीक्षण चक्रों में प्रदर्शन में लगभग कोई हानि नहीं हुई। इसके विपरीत, मल्टी-इंटरफ़ेस सिंगल क्रिस्टल या लेपित पॉलीक्रिस्टल से बने एनएमसी कैथोड ने एक ही जीवनकाल में 60% से 88% की क्षमता में गिरावट देखी।
परमाणु पैमाने की गणना से कैथोड कैपेसिटेंस में कमी के तंत्र का पता चलता है। सीएनएम में नैनो वैज्ञानिक मारिया चांग के अनुसार, जब बैटरी चार्ज की जाती है तो उनसे दूर के क्षेत्रों की तुलना में सीमाओं पर ऑक्सीजन परमाणुओं के खोने की संभावना अधिक होती है। ऑक्सीजन की इस हानि से कोशिका चक्र का क्षरण होता है।
चैन ने कहा, "हमारी गणना से पता चलता है कि कैसे सीमा उच्च दबाव पर ऑक्सीजन जारी कर सकती है, जिससे प्रदर्शन कम हो सकता है।"
सीमा को ख़त्म करने से ऑक्सीजन का विकास रुक जाता है, जिससे कैथोड की सुरक्षा और चक्रीय स्थिरता में सुधार होता है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग के लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी में एपीएस और एक उन्नत प्रकाश स्रोत के साथ ऑक्सीजन विकास माप इस निष्कर्ष की पुष्टि करते हैं।
"अब हमारे पास दिशानिर्देश हैं कि बैटरी निर्माता कैथोड सामग्री बनाने के लिए उपयोग कर सकते हैं जिनकी कोई सीमा नहीं है और उच्च दबाव पर काम करते हैं," अर्गोन फेलो एमेरिटस खलील अमीन ने कहा। â??? â???"दिशानिर्देश एनएमसी के अलावा अन्य कैथोड सामग्रियों पर लागू होने चाहिए।"
इस अध्ययन के बारे में एक लेख नेचर एनर्जी पत्रिका में छपा। जू, अमीन, लियू और चांग के अलावा, आर्गोन के लेखक जियांग लियू, वेंकट सूर्य चैतन्य कोल्लुरु, चेन झाओ, शिनवेई झोउ, युज़ी लियू, लियांग यिंग, अमीन डाली, यांग रेन, वेन्कियान जू, जुनजिंग डेंग, इनहुई ह्वांग हैं। चेंगजुन सुन, ताओ झोउ, मिंग डू, और ज़ोंगहाई चेन। लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी (वानली यांग, किंगटियन ली और ज़ेंगकिंग झूओ), ज़ियामेन यूनिवर्सिटी (जिंग-जिंग फैन, लिंग हुआंग और शि-गैंग सन) और सिंघुआ यूनिवर्सिटी (डोंगशेंग रेन, ज़ुनिंग फेंग और मिंगाओ ओयांग) के वैज्ञानिक।
नैनोमटेरियल्स के लिए आर्गन सेंटर के बारे में सेंटर फॉर नैनोमटेरियल्स, पांच अमेरिकी ऊर्जा विभाग के नैनोटेक्नोलॉजी अनुसंधान केंद्रों में से एक, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय द्वारा समर्थित अंतःविषय नैनोस्केल अनुसंधान के लिए प्रमुख राष्ट्रीय उपयोगकर्ता संस्थान है। साथ में, एनएसआरसी पूरक सुविधाओं का एक समूह बनाते हैं जो शोधकर्ताओं को नैनोस्केल सामग्रियों के निर्माण, प्रसंस्करण, लक्षण वर्णन और मॉडलिंग के लिए अत्याधुनिक क्षमताएं प्रदान करते हैं और राष्ट्रीय नैनो प्रौद्योगिकी पहल के तहत सबसे बड़े बुनियादी ढांचे के निवेश का प्रतिनिधित्व करते हैं। एनएसआरसी आर्गोन, ब्रुकहेवन, लॉरेंस बर्कले, ओक रिज, सैंडिया और लॉस अलामोस में अमेरिकी ऊर्जा विभाग की राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं में स्थित है। एनएसआरसी डीओई के बारे में अधिक जानकारी के लिए, https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​​​ie​s/ Us पर जाएं।​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie ​ie​s​-at​-a नज़र.
आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी में अमेरिकी ऊर्जा विभाग का उन्नत फोटॉन स्रोत (एपीएस) दुनिया में सबसे अधिक उत्पादक एक्स-रे स्रोतों में से एक है। एपीएस सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीवन और पर्यावरण विज्ञान और अनुप्रयुक्त अनुसंधान में विविध अनुसंधान समुदाय को उच्च तीव्रता वाले एक्स-रे प्रदान करता है। ये एक्स-रे सामग्रियों और जैविक संरचनाओं, तत्वों के वितरण, रासायनिक, चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक स्थितियों और बैटरी से लेकर ईंधन इंजेक्टर नोजल तक सभी प्रकार की तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए आदर्श हैं, जो हमारी राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था, प्रौद्योगिकी के लिए महत्वपूर्ण हैं। . और शरीर स्वास्थ्य का आधार है। प्रत्येक वर्ष, 5,000 से अधिक शोधकर्ता 2,000 से अधिक प्रकाशनों को प्रकाशित करने के लिए एपीएस का उपयोग करते हैं जो महत्वपूर्ण खोजों का विवरण देते हैं और किसी भी अन्य एक्स-रे अनुसंधान केंद्र के उपयोगकर्ताओं की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण जैविक प्रोटीन संरचनाओं को हल करते हैं। एपीएस वैज्ञानिक और इंजीनियर नवीन प्रौद्योगिकियों को लागू कर रहे हैं जो त्वरक और प्रकाश स्रोतों के प्रदर्शन में सुधार का आधार हैं। इसमें इनपुट डिवाइस शामिल हैं जो शोधकर्ताओं द्वारा बेशकीमती बेहद उज्ज्वल एक्स-रे का उत्पादन करते हैं, लेंस जो एक्स-रे को कुछ नैनोमीटर तक केंद्रित करते हैं, ऐसे उपकरण जो अध्ययन के तहत नमूने के साथ एक्स-रे के इंटरैक्ट करने के तरीके को अधिकतम करते हैं, और एपीएस खोजों का संग्रह और प्रबंधन करते हैं। अनुसंधान भारी मात्रा में डेटा उत्पन्न करता है।
इस अध्ययन में अनुबंध संख्या DE-AC02-06CH11357 के तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के लिए आर्गन नेशनल लेबोरेटरी द्वारा संचालित एडवांस्ड फोटॉन सोर्स, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान उपयोगकर्ता केंद्र के संसाधनों का उपयोग किया गया।
आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी घरेलू विज्ञान और प्रौद्योगिकी की गंभीर समस्याओं को हल करने का प्रयास करती है। संयुक्त राज्य अमेरिका में पहली राष्ट्रीय प्रयोगशाला के रूप में, आर्गन लगभग हर वैज्ञानिक अनुशासन में अत्याधुनिक बुनियादी और व्यावहारिक अनुसंधान करता है। आर्गन के शोधकर्ता सैकड़ों कंपनियों, विश्वविद्यालयों और संघीय, राज्य और नगरपालिका एजेंसियों के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर काम करते हैं ताकि उन्हें विशिष्ट समस्याओं को हल करने, अमेरिकी वैज्ञानिक नेतृत्व को आगे बढ़ाने और देश को बेहतर भविष्य के लिए तैयार करने में मदद मिल सके। Argonne में 60 से अधिक देशों के कर्मचारी कार्यरत हैं और इसका संचालन अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के UChicago Argonne, LLC द्वारा किया जाता है।
अमेरिकी ऊर्जा विभाग का विज्ञान कार्यालय भौतिक विज्ञान में बुनियादी अनुसंधान का देश का सबसे बड़ा समर्थक है, जो हमारे समय के कुछ सबसे महत्वपूर्ण मुद्दों के समाधान के लिए काम कर रहा है। अधिक जानकारी के लिए, https://​energy​.gov/​science​ience पर जाएं।