अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) की आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं का लिथियम-आयन बैटरी के क्षेत्र में अग्रणी खोजों का लंबा इतिहास रहा है। इनमें से कई खोजें बैटरी कैथोड, जिसे एनएमसी (निकेल मैंगनीज और कोबाल्ट ऑक्साइड) कहा जाता है, से संबंधित हैं। इसी कैथोड वाली बैटरी अब शेवरले बोल्ट को शक्ति प्रदान करती है।
आर्गोन के शोधकर्ताओं ने एनएमसी कैथोड के क्षेत्र में एक और महत्वपूर्ण उपलब्धि हासिल की है। टीम की नई सूक्ष्म कैथोड कण संरचना बैटरी को अधिक टिकाऊ और सुरक्षित बना सकती है, जिससे यह बहुत उच्च वोल्टेज पर काम करने में सक्षम होगी और लंबी दूरी तक चल सकेगी।
"अब हमारे पास ऐसे दिशानिर्देश हैं जिनका उपयोग बैटरी निर्माता उच्च दबाव वाले, सीमाहीन कैथोड सामग्री बनाने के लिए कर सकते हैं," खलील अमीन, आर्गोन फेलो एमेरिटस।
सहायक रसायनज्ञ गुइलियंग जू ने कहा, "मौजूदा एनएमसी कैथोड उच्च वोल्टेज कार्यों के लिए एक बड़ी बाधा हैं। चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के दौरान, कैथोड कणों में दरारें पड़ने के कारण प्रदर्शन तेजी से गिरता है। दशकों से, बैटरी शोधकर्ता इन दरारों की मरम्मत के तरीके खोज रहे हैं।"
अतीत में एक विधि में कई छोटे कणों से बने सूक्ष्म गोलाकार कणों का उपयोग किया जाता था। बड़े गोलाकार कण बहुक्रिस्टलीय होते हैं, जिनमें विभिन्न अभिविन्यासों वाले क्रिस्टलीय डोमेन होते हैं। परिणामस्वरूप, इनमें वैज्ञानिकों द्वारा कण सीमाओं के रूप में वर्णित कण होते हैं, जो बैटरी के चक्र के दौरान दरार का कारण बन सकते हैं। इसे रोकने के लिए, जू और आर्गोन के सहयोगियों ने पहले प्रत्येक कण के चारों ओर एक सुरक्षात्मक बहुलक परत विकसित की थी। यह परत बड़े गोलाकार कणों और उनके भीतर मौजूद छोटे कणों को घेर लेती है।
इस प्रकार की दरारों से बचने का एक और तरीका एकल क्रिस्टल कणों का उपयोग करना है। इन कणों के इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी से पता चला कि इनकी कोई सीमा नहीं होती।
टीम के सामने समस्या यह थी कि लेपित पॉलीक्रिस्टल और एकल क्रिस्टल से बने कैथोड साइक्लिंग के दौरान टूट जाते थे। इसलिए, उन्होंने अमेरिकी ऊर्जा विभाग के आर्गोन विज्ञान केंद्र में स्थित एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) और सेंटर फॉर नैनोमटेरियल्स (सीएनएम) में इन कैथोड सामग्रियों का व्यापक विश्लेषण किया।
पांच एपीएस आर्म्स (11-बीएम, 20-बीएम, 2-आईडी-डी, 11-आईडी-सी और 34-आईडी-ई) पर विभिन्न एक्स-रे विश्लेषण किए गए। पता चला कि वैज्ञानिकों ने जिसे इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे माइक्रोस्कोपी द्वारा एकल क्रिस्टल समझा था, वास्तव में उसके भीतर 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 की आकृति विज्ञान को देखा, तो वे एकल क्रिस्टल की तरह दिखे।" â???射线衍射显微镜的技术和其他技术时，我们发现边界隐藏在内部。" â??? ，मुझे एक और चीज़ दिखानी होगी।''"हालांकि, जब हमने एपीएस में सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे विवर्तन माइक्रोस्कोपी नामक तकनीक और अन्य तकनीकों का उपयोग किया, तो हमने पाया कि सीमाएं अंदर छिपी हुई थीं।"
महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने बिना सीमाओं वाले एकल क्रिस्टल बनाने की एक विधि विकसित की है। इस एकल-क्रिस्टल कैथोड वाले छोटे सेल का बहुत उच्च वोल्टेज पर परीक्षण करने पर प्रति इकाई आयतन ऊर्जा भंडारण में 25% की वृद्धि देखी गई, जबकि 100 परीक्षण चक्रों में प्रदर्शन में लगभग कोई कमी नहीं आई। इसके विपरीत, बहु-इंटरफ़ेस एकल क्रिस्टल या लेपित पॉलीक्रिस्टल से बने एनएमसी कैथोड ने समान जीवनकाल में क्षमता में 60% से 88% तक की गिरावट दिखाई।
परमाणु स्तर पर की गई गणनाओं से कैथोड धारिता में कमी की प्रक्रिया का पता चलता है। सीएनएम की नैनो वैज्ञानिक मारिया चांग के अनुसार, बैटरी चार्ज होने पर किनारों से ऑक्सीजन परमाणुओं के निकलने की संभावना दूर के क्षेत्रों की तुलना में अधिक होती है। ऑक्सीजन की इस कमी से सेल चक्र में गिरावट आती है।
चान ने कहा, "हमारी गणनाओं से पता चलता है कि सीमा के कारण उच्च दबाव पर ऑक्सीजन निकल सकती है, जिससे प्रदर्शन में कमी आ सकती है।"
सीमा को हटाने से ऑक्सीजन का उत्सर्जन रुक जाता है, जिससे कैथोड की सुरक्षा और चक्रीय स्थिरता में सुधार होता है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग की लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एपीएस और एक उन्नत प्रकाश स्रोत के साथ किए गए ऑक्सीजन उत्सर्जन मापन से इस निष्कर्ष की पुष्टि होती है।
"अब हमारे पास ऐसे दिशानिर्देश हैं जिनका उपयोग बैटरी निर्माता ऐसे कैथोड सामग्री बनाने के लिए कर सकते हैं जिनकी कोई सीमा नहीं होती और जो उच्च दबाव पर काम करते हैं," आर्गोन फेलो एमेरिटस खलील अमीन ने कहा। â??? â???"एनएमसी के अलावा अन्य कैथोड सामग्रियों पर भी दिशानिर्देश 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, युजी लियू, लियांग यिंग, अमीन डाली, यांग रेन, वेन्कियान जू, जुनजिंग डेंग, इनहुई ह्वांग, चेंगजुन सन, ताओ झोउ, मिंग डू और ज़ोंगहाई चेन हैं। 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।
आर्गोन सेंटर फॉर नैनोमटेरियल्स के बारे में: सेंटर फॉर नैनोमटेरियल्स, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के पांच नैनोटेक्नोलॉजी अनुसंधान केंद्रों में से एक है, और यह अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय द्वारा समर्थित अंतःविषयक नैनोस्केल अनुसंधान के लिए प्रमुख राष्ट्रीय उपयोगकर्ता संस्थान है। ये सभी केंद्र एक साथ मिलकर 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 नैनोटेक्नोलॉजी पहल के तहत सबसे बड़े अवसंरचना निवेश का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह केंद्र अमेरिकी ऊर्जा विभाग की राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं में आर्गोन, ब्रुकहेवन, लॉरेंस बर्कले, ओक रिज, सैंडिया और लॉस अलामोस में स्थित है। एनएसआरसी (नेशनल लैबोरेटरीज ऑफ एनर्जी) के बारे में अधिक जानकारी के लिए, https://science.osti.gov/User-Facilitys/at-aGlance पर जाएं।
अमेरिकी ऊर्जा विभाग का आर्गोन राष्ट्रीय प्रयोगशाला स्थित एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) विश्व के सबसे उत्पादक एक्स-रे स्रोतों में से एक है। एपीएस पदार्थ विज्ञान, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीवन और पर्यावरण विज्ञान तथा अनुप्रयुक्त अनुसंधान के क्षेत्र में विविध अनुसंधान समुदायों को उच्च-तीव्रता वाली एक्स-रे प्रदान करता है। ये एक्स-रे पदार्थों और जैविक संरचनाओं, तत्वों के वितरण, रासायनिक, चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं तथा बैटरी से लेकर ईंधन इंजेक्टर नोजल तक, सभी प्रकार की तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग प्रणालियों के अध्ययन के लिए आदर्श हैं, जो हमारी राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था, प्रौद्योगिकी और शरीर के स्वास्थ्य के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। प्रत्येक वर्ष, 5,000 से अधिक शोधकर्ता एपीएस का उपयोग करके 2,000 से अधिक प्रकाशन प्रकाशित करते हैं जिनमें महत्वपूर्ण खोजों का विवरण दिया गया है और अन्य किसी भी एक्स-रे अनुसंधान केंद्र के उपयोगकर्ताओं की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण जैविक प्रोटीन संरचनाओं को सुलझाया गया है। एपीएस के वैज्ञानिक और इंजीनियर ऐसी नवोन्मेषी तकनीकों को लागू कर रहे हैं जो त्वरक और प्रकाश स्रोतों के प्रदर्शन में सुधार का आधार हैं। इसमें ऐसे इनपुट उपकरण शामिल हैं जो शोधकर्ताओं द्वारा सराहे जाने वाले अत्यंत चमकीले एक्स-रे उत्पन्न करते हैं, ऐसे लेंस जो एक्स-रे को कुछ नैनोमीटर तक केंद्रित करते हैं, ऐसे उपकरण जो अध्ययन किए जा रहे नमूने के साथ एक्स-रे की परस्पर क्रिया को अधिकतम करते हैं, और एपीएस खोजों का संग्रह और प्रबंधन। अनुसंधान से भारी मात्रा में डेटा उत्पन्न होता है।
इस अध्ययन में एडवांस्ड फोटॉन सोर्स के संसाधनों का उपयोग किया गया, जो कि अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय का एक उपयोगकर्ता केंद्र है और जिसका संचालन आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी द्वारा अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के लिए अनुबंध संख्या DE-AC02-06CH11357 के तहत किया जाता है।
आर्गोन राष्ट्रीय प्रयोगशाला घरेलू विज्ञान और प्रौद्योगिकी की गंभीर समस्याओं को हल करने के लिए प्रयासरत है। संयुक्त राज्य अमेरिका की पहली राष्ट्रीय प्रयोगशाला के रूप में, आर्गोन लगभग हर वैज्ञानिक क्षेत्र में अत्याधुनिक मौलिक और अनुप्रयुक्त अनुसंधान करती है। आर्गोन 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 राष्ट्र को बेहतर भविष्य के लिए तैयार करने में मदद मिल सके। आर्गोन में 60 से अधिक देशों के कर्मचारी कार्यरत हैं और इसका संचालन अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के अंतर्गत यू शिकागो आर्गोन, एलएलसी द्वारा किया जाता है।
अमेरिकी ऊर्जा विभाग का विज्ञान कार्यालय भौतिक विज्ञान में मूलभूत अनुसंधान का देश का सबसे बड़ा समर्थक है, जो हमारे समय के कुछ सबसे महत्वपूर्ण मुद्दों को हल करने के लिए काम कर रहा है। अधिक जानकारी के लिए, https://energy.gov/science.ience पर जाएं।