ഊർജം നിറഞ്ഞ ഈ ബാറ്ററികൾ കൊടും തണുപ്പിലും ചൂടിലും നന്നായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു

കാലിഫോർണിയ സാൻ ഡീഗോ സർവകലാശാലയിലെ എഞ്ചിനീയർമാർ ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്, അത് തണുപ്പിലും കത്തുന്ന ചൂടിലും നന്നായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു, അതേസമയം ധാരാളം ഊർജ്ജം പാക്ക് ചെയ്യുന്നു.വിശാലമായ താപനില പരിധിയിലുടനീളം ബഹുമുഖവും കരുത്തുറ്റതും മാത്രമല്ല, ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ആനോഡും കാഥോഡുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നതുമായ ഒരു ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് വികസിപ്പിച്ചാണ് ഗവേഷകർ ഈ നേട്ടം കൈവരിച്ചത്.
താപനിലയെ പ്രതിരോധിക്കുന്ന ബാറ്ററികൾനാഷണൽ അക്കാദമി ഓഫ് സയൻസസിന്റെ (PNAS) പ്രൊസീഡിംഗ്‌സിൽ ജൂലൈ 4-ന് ആഴ്ചയിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ഒരു പേപ്പറിൽ വിവരിച്ചിരിക്കുന്നു.
തണുത്ത കാലാവസ്ഥയിൽ വൈദ്യുത വാഹനങ്ങൾക്ക് ഒറ്റ ചാർജിൽ കൂടുതൽ ദൂരം സഞ്ചരിക്കാൻ ഇത്തരം ബാറ്ററികൾക്ക് കഴിയും;ചൂടുള്ള കാലാവസ്ഥയിൽ വാഹനങ്ങളുടെ ബാറ്ററി പായ്ക്കുകൾ അമിതമായി ചൂടാകാതിരിക്കാൻ തണുപ്പിക്കൽ സംവിധാനങ്ങളുടെ ആവശ്യകത കുറയ്ക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് യുസി സാൻ ഡിയാഗോ ജേക്കബ്സ് സ്കൂൾ ഓഫ് എഞ്ചിനീയറിംഗിലെ നാനോ എഞ്ചിനീയറിംഗ് പ്രൊഫസറും പഠനത്തിന്റെ മുതിർന്ന എഴുത്തുകാരനുമായ ഷെങ് ചെൻ പറഞ്ഞു.
“ആംബിയന്റ് താപനില ട്രിപ്പിൾ അക്കത്തിൽ എത്തുകയും റോഡുകൾ കൂടുതൽ ചൂടാകുകയും ചെയ്യുന്ന സ്ഥലങ്ങളിൽ നിങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന താപനില പ്രവർത്തനം ആവശ്യമാണ്.ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളിൽ, ബാറ്ററി പായ്ക്കുകൾ സാധാരണയായി തറയുടെ അടിയിലായിരിക്കും, ഈ ചൂടുള്ള റോഡുകൾക്ക് സമീപമാണ്, ”യുസി സാൻ ഡിയാഗോ സസ്റ്റൈനബിൾ പവർ ആൻഡ് എനർജി സെന്ററിലെ ഫാക്കൽറ്റി അംഗം കൂടിയായ ചെൻ വിശദീകരിച്ചു.“കൂടാതെ, ഓപ്പറേഷൻ സമയത്ത് കറന്റ് ഉള്ളതിനാൽ ബാറ്ററികൾ ചൂടാകുന്നു.ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ ബാറ്ററികൾക്ക് ഈ സന്നാഹം സഹിക്കാൻ കഴിയുന്നില്ലെങ്കിൽ, അവയുടെ പ്രകടനം പെട്ടെന്ന് കുറയും.
പരീക്ഷണങ്ങളിൽ, പ്രൂഫ്-ഓഫ്-കൺസെപ്റ്റ് ബാറ്ററികൾ അവയുടെ ഊർജ്ജ ശേഷിയുടെ 87.5%, 115.9% എന്നിവ യഥാക്രമം -40, 50 C (-40, 122 F) എന്നിവയിൽ നിലനിർത്തി.ഈ താപനിലകളിൽ യഥാക്രമം 98.2%, 98.7% എന്നിങ്ങനെ ഉയർന്ന കൊളംബിക് കാര്യക്ഷമതയുണ്ടായിരുന്നു, അതായത് ബാറ്ററികൾ പ്രവർത്തിക്കുന്നത് നിർത്തുന്നതിന് മുമ്പ് കൂടുതൽ ചാർജിനും ഡിസ്ചാർജ് സൈക്കിളുകൾക്കും വിധേയമാകും.
ചെനും സഹപ്രവർത്തകരും വികസിപ്പിച്ചെടുത്ത ബാറ്ററികൾ അവയുടെ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റിന് നന്ദി, തണുപ്പും ചൂടും സഹിക്കുന്നവയാണ്.ലിഥിയം ഉപ്പ് കലർന്ന ഡൈബ്യൂട്ടൈൽ ഈതറിന്റെ ദ്രാവക ലായനി ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇത് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്.ഡൈബ്യൂട്ടൈൽ ഈതറിന്റെ ഒരു പ്രത്യേക സവിശേഷത അതിന്റെ തന്മാത്രകൾ ലിഥിയം അയോണുകളുമായി ദുർബലമായി ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു എന്നതാണ്.മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, ബാറ്ററി പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് തന്മാത്രകൾക്ക് ലിഥിയം അയോണുകളെ എളുപ്പത്തിൽ വിടാൻ കഴിയും.ഈ ദുർബലമായ തന്മാത്രാ ഇടപെടൽ, മുമ്പത്തെ ഒരു പഠനത്തിൽ ഗവേഷകർ കണ്ടെത്തിയിരുന്നു, പൂജ്യത്തിന് താഴെയുള്ള താപനിലയിൽ ബാറ്ററി പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു.കൂടാതെ, ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ ദ്രാവകാവസ്ഥയിൽ തങ്ങിനിൽക്കുന്നതിനാൽ ഡൈബ്യൂട്ടൈൽ ഈതറിന് എളുപ്പത്തിൽ ചൂട് എടുക്കാൻ കഴിയും (ഇതിന് 141 C അല്ലെങ്കിൽ 286 F തിളയ്ക്കുന്ന പോയിന്റുണ്ട്).
ലിഥിയം-സൾഫർ രസതന്ത്രങ്ങളെ സ്ഥിരപ്പെടുത്തുന്നു
ഈ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന്റെ പ്രത്യേകത എന്തെന്നാൽ, ഇത് ഒരു ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററിയുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു, ഇത് ഒരു തരം റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന ബാറ്ററിയാണ്, അതിൽ ലിഥിയം ലോഹം കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ച ആനോഡും സൾഫറിൽ നിർമ്മിച്ച കാഥോഡും ഉണ്ട്.ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾ അടുത്ത തലമുറ ബാറ്ററി സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെ ഒരു പ്രധാന ഭാഗമാണ്, കാരണം അവ ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയും കുറഞ്ഞ ചെലവും വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.ഇന്നത്തെ ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികളേക്കാൾ ഒരു കിലോഗ്രാമിന് രണ്ട് മടങ്ങ് കൂടുതൽ ഊർജ്ജം സംഭരിക്കാൻ അവയ്ക്ക് കഴിയും - ബാറ്ററി പാക്കിന്റെ ഭാരത്തിൽ യാതൊരു വർദ്ധനയുമില്ലാതെ ഇത് ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളുടെ ശ്രേണി ഇരട്ടിയാക്കാം.കൂടാതെ, പരമ്പരാഗത ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി കാഥോഡുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന കോബാൾട്ടിനേക്കാൾ സൾഫർ കൂടുതൽ സമൃദ്ധവും ഉറവിടത്തിന് പ്രശ്‌നരഹിതവുമാണ്.
എന്നാൽ ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളിൽ പ്രശ്നങ്ങളുണ്ട്.കാഥോഡും ആനോഡും സൂപ്പർ റിയാക്ടീവ് ആണ്.സൾഫർ കാഥോഡുകൾ വളരെ റിയാക്ടീവ് ആയതിനാൽ ബാറ്ററി ഓപ്പറേഷൻ സമയത്ത് അലിഞ്ഞു പോകുന്നു.ഉയർന്ന താപനിലയിൽ ഈ പ്രശ്നം കൂടുതൽ വഷളാകുന്നു.ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡുകൾ ബാറ്ററിയുടെ ഭാഗങ്ങൾ തുളച്ചുകയറുകയും ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ടിലേക്ക് നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്ന ഡെൻഡ്രൈറ്റുകൾ എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്ന സൂചി പോലുള്ള ഘടനകൾ രൂപപ്പെടാൻ സാധ്യതയുണ്ട്.തൽഫലമായി, ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾ പതിനായിരക്കണക്കിന് സൈക്കിളുകൾ വരെ മാത്രമേ നിലനിൽക്കൂ.
"ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയുള്ള ബാറ്ററിയാണ് നിങ്ങൾ ആഗ്രഹിക്കുന്നതെങ്കിൽ, നിങ്ങൾ സാധാരണയായി വളരെ കഠിനവും സങ്കീർണ്ണവുമായ രസതന്ത്രം ഉപയോഗിക്കേണ്ടതുണ്ട്," ചെൻ പറഞ്ഞു.“ഉയർന്ന ഊർജം എന്നതിനർത്ഥം കൂടുതൽ പ്രതികരണങ്ങൾ സംഭവിക്കുന്നു, അതായത് സ്ഥിരത കുറയുന്നു, കൂടുതൽ അധഃപതനമാണ്.സുസ്ഥിരമായ ഒരു ഉയർന്ന ഊർജ ബാറ്ററി നിർമ്മിക്കുന്നത് തന്നെ ബുദ്ധിമുട്ടുള്ള കാര്യമാണ് - വിശാലമായ താപനില പരിധിയിലൂടെ ഇത് ചെയ്യാൻ ശ്രമിക്കുന്നത് കൂടുതൽ വെല്ലുവിളി നിറഞ്ഞതാണ്.
UC സാൻ ഡിയാഗോ ടീം വികസിപ്പിച്ച ഡൈബ്യൂട്ടൈൽ ഈതർ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഉയർന്നതും താഴ്ന്നതുമായ താപനിലയിൽ പോലും ഈ പ്രശ്നങ്ങൾ തടയുന്നു.അവർ പരീക്ഷിച്ച ബാറ്ററികൾക്ക് സാധാരണ ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററിയേക്കാൾ വളരെ ദൈർഘ്യമേറിയ സൈക്ലിംഗ് ലൈഫ് ഉണ്ടായിരുന്നു.ഉയർന്ന ചാലകതയും ഇന്റർഫേഷ്യൽ സ്ഥിരതയും നൽകുമ്പോൾ കാഥോഡ് വശവും ആനോഡ് വശവും മെച്ചപ്പെടുത്താൻ ഞങ്ങളുടെ ഇലക്‌ട്രോലൈറ്റ് സഹായിക്കുന്നു,” ചെൻ പറഞ്ഞു.
സൾഫർ കാഥോഡ് ഒരു പോളിമറിലേക്ക് ഒട്ടിച്ച് കൂടുതൽ സ്ഥിരതയുള്ളതാക്കാനും സംഘം എഞ്ചിനീയറിംഗ് നടത്തി.ഇത് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലേക്ക് കൂടുതൽ സൾഫർ ലയിക്കുന്നത് തടയുന്നു.
അടുത്ത ഘട്ടങ്ങളിൽ ബാറ്ററി കെമിസ്ട്രി സ്കെയിൽ ചെയ്യുക, ഉയർന്ന താപനിലയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുക, സൈക്കിൾ ആയുസ്സ് വർദ്ധിപ്പിക്കൽ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു.
പേപ്പർ: "താപനില പ്രതിരോധിക്കുന്ന ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾക്കുള്ള സോൾവെന്റ് സെലക്ഷൻ മാനദണ്ഡം."സഹ-രചയിതാക്കളിൽ ഗൊറൂയി കായ്, ജോൺ ഹോലോബെക്ക്, മിംഗ്‌ക്യാൻ ലി, ഹോങ്‌പെങ് ഗാവോ, യിജി യിൻ, സിസെൻ യു, ഹവോഡോംഗ് ലിയു, ടോഡ് എ. പാസ്കൽ, പിംഗ് ലിയു എന്നിവരും ഉൾപ്പെടുന്നു, എല്ലാവരും യുസി സാൻ ഡിയാഗോയിൽ.
നാസയുടെ സ്‌പേസ് ടെക്‌നോളജി റിസർച്ച് ഗ്രാന്റ്സ് പ്രോഗ്രാമിൽ (ECF 80NSSC18K1512), യുസി സാൻ ഡിയാഗോ മെറ്റീരിയൽസ് റിസർച്ച് സയൻസ് ആൻഡ് എഞ്ചിനീയറിംഗ് സെന്റർ (MRSEC, ഗ്രാന്റ് DMR-2011924) മുഖേനയുള്ള നാഷണൽ സയൻസ് ഫൗണ്ടേഷൻ എന്നിവയിൽ നിന്നുള്ള ഏർലി കരിയർ ഫാക്കൽറ്റി ഗ്രാന്റ് ഈ പ്രവർത്തനത്തെ പിന്തുണച്ചു. അഡ്വാൻസ്ഡ് ബാറ്ററി മെറ്റീരിയൽസ് റിസർച്ച് പ്രോഗ്രാം (Battery500 കൺസോർഷ്യം, കരാർ DE-EE0007764) വഴി യു.എസ് ഊർജ്ജ വകുപ്പിന്റെ വാഹന സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ.നാഷണൽ സയൻസ് ഫൗണ്ടേഷന്റെ (ഇസിസിഎസ്-1542148 ഗ്രാന്റ്) പിന്തുണയ്‌ക്കുന്ന നാഷണൽ നാനോ ടെക്‌നോളജി കോർഡിനേറ്റഡ് ഇൻഫ്രാസ്ട്രക്ചറിലെ അംഗമായ യുസി സാൻ ഡീഗോയിലെ സാൻ ഡീഗോ നാനോടെക്‌നോളജി ഇൻഫ്രാസ്ട്രക്ചറിൽ (എസ്‌ഡിഎൻഐ) ഭാഗികമായാണ് ഈ പ്രവർത്തനം നടത്തിയത്.