अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) की आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं का लिथियम-आयन बैटरियों के क्षेत्र में अग्रणी खोजों का एक लंबा इतिहास रहा है। इनमें से कई परिणाम बैटरी कैथोड, जिसे एनएमसी कहा जाता है, के लिए हैं, जिसमें निकल-मैंगनीज और कोबाल्ट ऑक्साइड शामिल हैं। इसी कैथोड वाली एक बैटरी अब शेवरले बोल्ट को शक्ति प्रदान करती है।
आर्गन के शोधकर्ताओं ने एनएमसी कैथोड्स में एक और सफलता हासिल की है। टीम की नई सूक्ष्म कैथोड कण संरचना बैटरी को अधिक टिकाऊ और सुरक्षित बना सकती है, जो बहुत उच्च वोल्टेज पर भी काम कर सकती है और लंबी दूरी तक चल सकती है।
"अब हमारे पास मार्गदर्शन है जिसका उपयोग बैटरी निर्माता उच्च दबाव, सीमाहीन कैथोड सामग्री बनाने के लिए 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 प्रस्तुत करते हैं।" चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के साथ, कैथोड कणों में दरारें बनने के कारण प्रदर्शन तेज़ी 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 छोटे गोलाकार कणों का उपयोग किया जाता था। बड़े गोलाकार कण बहुक्रिस्टलीय होते हैं, जिनमें विभिन्न अभिविन्यासों वाले क्रिस्टलीय डोमेन होते हैं। परिणामस्वरूप, वैज्ञानिकों ने कणों के बीच ग्रेन बॉर्डर्स (अनाज की सीमाएँ) बना दी हैं, जिससे एक चक्र के दौरान बैटरी में दरार पड़ सकती है। इसे रोकने के लिए, शू और आर्गन 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 घेरती है।
इस तरह की दरार से बचने का एक और तरीका एकल क्रिस्टल कणों का उपयोग करना है। इन कणों की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से पता चला है कि इनकी कोई सीमा नहीं होती।
टीम के लिए समस्या यह थी कि लेपित पॉलीक्रिस्टल और सिंगल क्रिस्टल से बने कैथोड साइक्लिंग के दौरान भी टूट जाते थे। इसलिए, उन्होंने अमेरिकी ऊर्जा विभाग के आर्गन साइंस सेंटर के एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (APS) और सेंटर फॉर नैनोमटेरियल्स (CNM) में इन कैथोड सामग्रियों का व्यापक विश्लेषण किया।
पाँच एपीएस भुजाओं (11-बीएम, 20-बीएम, 2-आईडी-डी, 11-आईडी-सी और 34-आईडी-ई) पर विभिन्न एक्स-रे विश्लेषण किए गए। यह पता चला कि जिसे वैज्ञानिक एक एकल क्रिस्टल समझ रहे थे, जैसा कि इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे माइक्रोस्कोपी द्वारा दिखाया गया था, वास्तव में उसके 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 की आकृति को देखा, तो वे एकल क्रिस्टल जैसे 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 सेलों का अत्यंत उच्च वोल्टेज पर परीक्षण करने पर, 100 परीक्षण चक्रों में, प्रति इकाई आयतन ऊर्जा भंडारण में 25% की वृद्धि देखी गई, जबकि प्रदर्शन में लगभग कोई कमी नहीं आई। इसके विपरीत, बहु-इंटरफ़ेस एकल क्रिस्टल या लेपित पॉलीक्रिस्टल से बने एनएमसी कैथोडों ने समान जीवनकाल में क्षमता में 60% से 88% की गिरावट दिखाई।
परमाणु पैमाने पर गणनाएँ कैथोड धारिता में कमी की प्रक्रिया को उजागर करती हैं। सीएनएम की नैनोवैज्ञानिक मारिया चांग के अनुसार, बैटरी चार्ज होने पर, दूर स्थित क्षेत्रों की तुलना में सीमाओं में ऑक्सीजन परमाणुओं के नष्ट होने की संभावना अधिक होती है। ऑक्सीजन की इस कमी से कोशिका चक्र का ह्रास होता है।
चैन ने कहा, "हमारी गणना से पता चलता है कि सीमा के कारण ऑक्सीजन उच्च दबाव पर निकल सकती है, जिससे प्रदर्शन कम हो सकता 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 द्वारा ऑक्सीजन उत्सर्जन माप इस निष्कर्ष की पुष्टि करते हैं।
आर्गन फेलो एमेरिटस खलील अमीन ने कहा, "अब हमारे पास दिशानिर्देश हैं जिनका उपयोग बैटरी निर्माता कैथोड सामग्री बनाने के लिए कर सकते हैं, जिनकी कोई सीमा नहीं है और जो उच्च दबाव पर काम करते हैं।" â??? â???“दिशानिर्देश एनएमसी के अलावा अन्य कैथोड सामग्रियों पर भी 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।
आर्गन नैनोमटेरियल केंद्र के बारे में नैनोमटेरियल केंद्र, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के पांच नैनो प्रौद्योगिकी 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 आर्गन, ब्रुकहेवन, लॉरेंस बर्कले, ओक रिज, सैंडिया और लॉस एलामोस 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​er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​​Glance पर जाएं।
आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में अमेरिकी ऊर्जा विभाग का उन्नत फोटॉन स्रोत (APS) दुनिया के सबसे अधिक उत्पादक एक्स-रे स्रोतों में से एक है। APS पदार्थ विज्ञान, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीवन और पर्यावरण विज्ञान, और अनुप्रयुक्त अनुसंधान में एक विविध अनुसंधान समुदाय को उच्च-तीव्रता वाले एक्स-रे प्रदान करता है। ये एक्स-रे पदार्थ और जैविक संरचनाओं, तत्वों के वितरण, रासायनिक, चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं और 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 का आधार हैं। हर साल, 5,000 से अधिक शोधकर्ता APS का उपयोग 2,000 से अधिक प्रकाशनों को प्रकाशित करने के लिए करते हैं, इसमें वे इनपुट उपकरण शामिल हैं जो शोधकर्ताओं द्वारा बहुमूल्य माने जाने वाले अत्यंत उज्ज्वल एक्स-रे उत्पन्न करते हैं, लेंस जो एक्स-रे को कुछ नैनोमीटर तक केंद्रित करते हैं, उपकरण जो अध्ययन के तहत नमूने के साथ एक्स-रे की अंतःक्रिया को अधिकतम करते हैं, तथा एपीएस खोजों का संग्रह और प्रबंधन करते हैं। अनुसंधान से विशाल 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 उपयोगकर्ता केंद्र है, जिसका संचालन आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के लिए अनुबंध संख्या DE-AC02-06CH11357 के अंतर्गत किया जाता है।
आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला घरेलू विज्ञान और प्रौद्योगिकी की ज्वलंत समस्याओं के समाधान के लिए प्रयासरत है। संयुक्त राज्य अमेरिका की पहली राष्ट्रीय प्रयोगशाला के रूप में, आर्गन लगभग हर वैज्ञानिक क्षेत्र में अत्याधुनिक बुनियादी और अनुप्रयुक्त अनुसंधान करती है। आर्गन के शोधकर्ता सैकड़ों कंपनियों, विश्वविद्यालयों, संघीय, राज्य और नगरपालिका एजेंसियों के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर काम करते हैं ताकि उन्हें विशिष्ट समस्याओं का समाधान करने, अमेरिकी वैज्ञानिक नेतृत्व को आगे बढ़ाने और देश को बेहतर भविष्य के लिए तैयार करने में मदद मिल सके। आर्गन में 60 से ज़्यादा देशों के कर्मचारी कार्यरत हैं और इसका संचालन अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के यूशिकागो आर्गन, एलएलसी 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 कार्यरत है। अधिक जानकारी के लिए, https://​energy​.gov/​science​ience पर जाएँ।