ऊर्जा से भरपूर ये बैटरियां अत्यधिक ठंड और गर्मी में भी अच्छा काम करती हैं

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय सैन डिएगो के इंजीनियरों ने लिथियम-आयन बैटरियां विकसित की हैं जो बहुत अधिक ऊर्जा पैक करते हुए जमा देने वाली ठंड और चिलचिलाती गर्म तापमान पर अच्छा प्रदर्शन करती हैं।शोधकर्ताओं ने एक इलेक्ट्रोलाइट विकसित करके यह उपलब्धि हासिल की है जो न केवल व्यापक तापमान रेंज में बहुमुखी और मजबूत है, बल्कि उच्च ऊर्जा एनोड और कैथोड के साथ भी संगत है।
तापमान-लचीली बैटरियांप्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज (पीएनएएस) में 4 जुलाई के सप्ताह में प्रकाशित एक पेपर में वर्णित किया गया है।
ऐसी बैटरियाँ ठंडी जलवायु में इलेक्ट्रिक वाहनों को एक बार चार्ज करने पर दूर तक यात्रा करने की अनुमति दे सकती हैं;यूसी सैन डिएगो जैकब्स स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में नैनोइंजीनियरिंग के प्रोफेसर और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक झेंग चेन ने कहा, वे गर्म जलवायु में वाहनों के बैटरी पैक को गर्म होने से बचाने के लिए शीतलन प्रणाली की आवश्यकता को भी कम कर सकते हैं।
“आपको उन क्षेत्रों में उच्च तापमान संचालन की आवश्यकता है जहां परिवेश का तापमान तीन अंकों तक पहुंच सकता है और सड़कें और भी गर्म हो जाती हैं।इलेक्ट्रिक वाहनों में, बैटरी पैक आमतौर पर फर्श के नीचे, इन गर्म सड़कों के करीब होते हैं, ”चेन ने समझाया, जो यूसी सैन डिएगो सस्टेनेबल पावर एंड एनर्जी सेंटर के संकाय सदस्य भी हैं।“इसके अलावा, ऑपरेशन के दौरान करंट प्रवाहित होने से बैटरियां गर्म हो जाती हैं।यदि बैटरियां उच्च तापमान पर इस वार्मअप को सहन नहीं कर पाती हैं, तो उनका प्रदर्शन जल्दी ही ख़राब हो जाएगा।
परीक्षणों में, प्रूफ़-ऑफ़-कॉन्सेप्ट बैटरियों ने क्रमशः -40 और 50 C (-40 और 122 F) पर अपनी ऊर्जा क्षमता का 87.5% और 115.9% बरकरार रखा।इन तापमानों पर उनकी कूलम्बिक क्षमता क्रमशः 98.2% और 98.7% थी, जिसका अर्थ है कि बैटरियां काम करना बंद करने से पहले अधिक चार्ज और डिस्चार्ज चक्र से गुजर सकती हैं।
चेन और सहकर्मियों ने जो बैटरियां विकसित कीं, वे अपने इलेक्ट्रोलाइट के कारण ठंड और गर्मी दोनों को सहन करती हैं।यह लिथियम नमक के साथ मिश्रित डिब्यूटाइल ईथर के तरल घोल से बना है।डिब्यूटाइल ईथर की एक विशेष विशेषता यह है कि इसके अणु लिथियम आयनों से कमजोर रूप से बंधते हैं।दूसरे शब्दों में, बैटरी चलने पर इलेक्ट्रोलाइट अणु आसानी से लिथियम आयनों को छोड़ सकते हैं।शोधकर्ताओं ने पिछले अध्ययन में पाया था कि यह कमजोर आणविक संपर्क शून्य से नीचे के तापमान पर बैटरी के प्रदर्शन में सुधार करता है।साथ ही, डिब्यूटाइल ईथर आसानी से गर्मी सहन कर सकता है क्योंकि यह उच्च तापमान पर तरल रहता है (इसका क्वथनांक 141 C या 286 F होता है)।
लिथियम-सल्फर रसायन विज्ञान को स्थिर करना
इस इलेक्ट्रोलाइट की खास बात यह भी है कि यह लिथियम-सल्फर बैटरी के साथ संगत है, जो एक प्रकार की रिचार्जेबल बैटरी है जिसमें लिथियम धातु से बना एनोड और सल्फर से बना कैथोड होता है।लिथियम-सल्फर बैटरियां अगली पीढ़ी की बैटरी प्रौद्योगिकियों का एक अनिवार्य हिस्सा हैं क्योंकि वे उच्च ऊर्जा घनत्व और कम लागत का वादा करती हैं।वे आज की लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में प्रति किलोग्राम दो गुना अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं - यह बैटरी पैक के वजन में किसी भी वृद्धि के बिना इलेक्ट्रिक वाहनों की सीमा को दोगुना कर सकता है।इसके अलावा, पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी कैथोड में उपयोग किए जाने वाले कोबाल्ट की तुलना में सल्फर अधिक प्रचुर मात्रा में है और स्रोत के लिए कम समस्याग्रस्त है।
लेकिन लिथियम-सल्फर बैटरियों में समस्याएं हैं।कैथोड और एनोड दोनों अति प्रतिक्रियाशील हैं।सल्फर कैथोड इतने प्रतिक्रियाशील होते हैं कि वे बैटरी संचालन के दौरान घुल जाते हैं।उच्च तापमान पर यह समस्या और भी बदतर हो जाती है।और लिथियम धातु एनोड में सुई जैसी संरचनाएं बनने का खतरा होता है जिन्हें डेंड्राइट कहा जाता है जो बैटरी के हिस्सों को छेद सकती हैं, जिससे शॉर्ट-सर्किट हो सकता है।परिणामस्वरूप, लिथियम-सल्फर बैटरियां केवल दसियों चक्र तक चलती हैं।
"यदि आप उच्च ऊर्जा घनत्व वाली बैटरी चाहते हैं, तो आपको आमतौर पर बहुत कठोर, जटिल रसायन विज्ञान का उपयोग करने की आवश्यकता होती है," चेन ने कहा।“उच्च ऊर्जा का मतलब है कि अधिक प्रतिक्रियाएँ हो रही हैं, जिसका अर्थ है कम स्थिरता, अधिक गिरावट।एक उच्च-ऊर्जा बैटरी बनाना जो स्थिर हो, अपने आप में एक कठिन काम है - विस्तृत तापमान सीमा के माध्यम से ऐसा करने का प्रयास करना और भी अधिक चुनौतीपूर्ण है।
यूसी सैन डिएगो टीम द्वारा विकसित डिब्यूटाइल ईथर इलेक्ट्रोलाइट उच्च और निम्न तापमान पर भी इन समस्याओं को रोकता है।जिन बैटरियों का उन्होंने परीक्षण किया उनमें सामान्य लिथियम-सल्फर बैटरी की तुलना में अधिक समय तक चलने वाली बैटरी थी।चेन ने कहा, "हमारा इलेक्ट्रोलाइट उच्च चालकता और इंटरफेशियल स्थिरता प्रदान करते हुए कैथोड पक्ष और एनोड पक्ष दोनों को बेहतर बनाने में मदद करता है।"
टीम ने सल्फर कैथोड को एक पॉलिमर में ग्राफ्ट करके इसे और अधिक स्थिर बनाने के लिए भी इंजीनियर किया।यह अधिक सल्फर को इलेक्ट्रोलाइट में घुलने से रोकता है।
अगले चरणों में बैटरी रसायन विज्ञान को बढ़ाना, इसे और भी उच्च तापमान पर काम करने के लिए अनुकूलित करना और चक्र जीवन को आगे बढ़ाना शामिल है।
पेपर: "तापमान-लचीला लिथियम-सल्फर बैटरी के लिए विलायक चयन मानदंड।"सह-लेखकों में यूसी सैन डिएगो में गुओरुई कै, जॉन होलूबेक, मिंगकियान ली, होंगपेंग गाओ, यिजी यिन, सिसेन यू, हाओडोंग लियू, टॉड ए. पास्कल और पिंग लियू शामिल हैं।
इस कार्य को नासा के अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी अनुसंधान अनुदान कार्यक्रम (ईसीएफ 80एनएसएससी18के1512), यूसी सैन डिएगो सामग्री अनुसंधान विज्ञान और इंजीनियरिंग केंद्र (एमआरएसईसी, अनुदान डीएमआर-2011924) के माध्यम से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन और कार्यालय से प्रारंभिक कैरियर संकाय अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था। उन्नत बैटरी सामग्री अनुसंधान कार्यक्रम (बैटरी500 कंसोर्टियम, अनुबंध DE-EE0007764) के माध्यम से अमेरिकी ऊर्जा विभाग की वाहन प्रौद्योगिकी।यह कार्य आंशिक रूप से यूसी सैन डिएगो में सैन डिएगो नैनोटेक्नोलॉजी इंफ्रास्ट्रक्चर (एसडीएनआई) में किया गया था, जो नेशनल नैनोटेक्नोलॉजी कोऑर्डिनेटेड इंफ्रास्ट्रक्चर का सदस्य है, जो नेशनल साइंस फाउंडेशन (अनुदान ईसीसीएस-1542148) द्वारा समर्थित है।