नैनोटेक्नोलॉजी नाउ - प्रेस विज्ञप्ति: उच्च ऊर्जा, कम लागत और लंबे जीवन वाली बैटरियों के लिए पहले अज्ञात मार्ग: नई खोजी गई प्रतिक्रिया तंत्र ने लिथियम-सल्फर बैटरियों में तेजी से प्रदर्शन में गिरावट पर काबू पा लिया है

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सल्फर कैथोड में (बाएं) और बिना (दाएं) उत्प्रेरक के साथ लिथियम-सल्फर बैटरी में लिथियम पॉलीसल्फाइड (Li₂S₆) से लिथियम सल्फाइड (Li₂S) तक विभिन्न प्रतिक्रिया मार्ग। श्रेय (छवि आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी द्वारा।)

सार:
वैज्ञानिकों ने परमाणु पैमाने पर प्रतिक्रियाओं की कल्पना करके बेहतर लिथियम-सल्फर बैटरी का आश्चर्यजनक मार्ग खोजा है।

उच्च ऊर्जा, कम लागत और लंबे जीवन वाली बैटरियों के लिए पहले अज्ञात मार्ग: नई खोजी गई प्रतिक्रिया तंत्र ने लिथियम-सल्फर बैटरियों में तेजी से प्रदर्शन में गिरावट पर काबू पा लिया

लेमोंट, आईएल | 8 सितंबर, 2023 को पोस्ट किया गया

प्रयोगशाला में सफलता से लेकर व्यावहारिक प्रौद्योगिकी तक का रास्ता लंबा और ऊबड़-खाबड़ हो सकता है। लिथियम-सल्फर बैटरी इसका एक उदाहरण है। मौजूदा लिथियम-आयन बैटरी से चलने वाले वाहनों की तुलना में इसके उल्लेखनीय फायदे हैं। लेकिन कई वर्षों में गहन विकास के बावजूद यह अभी तक बाजार में सेंध नहीं लगा सका है।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों के प्रयासों की बदौलत भविष्य में यह स्थिति बदल सकती है। पिछले एक दशक में, उन्होंने लिथियम-सल्फर बैटरी से संबंधित कई महत्वपूर्ण खोजें की हैं। नेचर में प्रकाशित उनका नवीनतम रहस्योद्घाटन, पहले से अज्ञात प्रतिक्रिया तंत्र को उजागर करता है जो एक बड़ी कमी को संबोधित करता है - बैटरी का बहुत छोटा जीवनकाल।

आर्गोन के केमिकल साइंसेज और इंजीनियरिंग डिवीजन के रसायनज्ञ गुई-लियांग जू ने कहा कि "हमारी टीम के प्रयास अमेरिका को हरित और अधिक टिकाऊ परिवहन परिदृश्य के करीब एक बड़ा कदम ला सकते हैं।"

लिथियम-सल्फर बैटरियां वर्तमान लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में तीन महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती हैं। सबसे पहले, वे एक निश्चित मात्रा में दो से तीन गुना अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप वाहन की दूरी लंबी हो जाती है। दूसरे, उनकी कम लागत, सल्फर की प्रचुरता और सामर्थ्य के कारण, उन्हें आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाती है। अंत में, ये बैटरियां कोबाल्ट और निकल जैसे महत्वपूर्ण संसाधनों पर निर्भर नहीं हैं, जिनकी भविष्य में कमी हो सकती है।

इन लाभों के बावजूद, प्रयोगशाला की सफलता से व्यावसायिक व्यवहार्यता तक संक्रमण मायावी साबित हुआ है। प्रयोगशाला कोशिकाओं ने आशाजनक परिणाम दिखाए हैं, लेकिन जब व्यावसायिक आकार तक बढ़ा दिया जाता है, तो बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज के साथ उनका प्रदर्शन तेजी से गिर जाता है।

इस प्रदर्शन में गिरावट का अंतर्निहित कारण डिस्चार्ज के दौरान कैथोड से सल्फर का विघटन है, जिससे घुलनशील लिथियम पॉलीसल्फाइड्स (Li2S6) का निर्माण होता है। ये यौगिक चार्जिंग के दौरान लिथियम धातु नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) में प्रवाहित होते हैं, जिससे समस्या और बढ़ जाती है। नतीजतन, कैथोड से सल्फर की हानि और एनोड संरचना में परिवर्तन से साइकिल चलाने के दौरान बैटरी के प्रदर्शन में काफी बाधा आती है।

हाल के पहले के एक अध्ययन में, आर्गन के वैज्ञानिकों ने एक उत्प्रेरक सामग्री विकसित की, जिसे जब थोड़ी मात्रा में सल्फर कैथोड में जोड़ा गया, तो सल्फर हानि की समस्या अनिवार्य रूप से समाप्त हो गई। हालाँकि इस उत्प्रेरक ने प्रयोगशाला और व्यावसायिक आकार की कोशिकाओं दोनों में आशाजनक प्रदर्शन किया है, लेकिन इसकी परमाणु-स्तर की कार्य प्रणाली अब तक एक पहेली बनी हुई है।

टीम का नवीनतम शोध इस तंत्र पर प्रकाश डालता है। उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में, लिथियम पॉलीसल्फाइड कैथोड सतह पर बनते हैं और प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला से गुजरते हैं, अंततः कैथोड को लिथियम सल्फाइड (Li2S) में परिवर्तित कर देते हैं।

"लेकिन कैथोड में थोड़ी मात्रा में उत्प्रेरक की मौजूदगी से सारा फर्क पड़ता है," जू ने कहा। ​"एक बहुत ही भिन्न प्रतिक्रिया मार्ग अनुसरण करता है, जो मध्यवर्ती प्रतिक्रिया चरणों से मुक्त होता है।"

कुंजी कैथोड सतह पर लिथियम पॉलीसल्फाइड के घने नैनोस्केल बुलबुले का गठन है, जो उत्प्रेरक के बिना दिखाई नहीं देते हैं। डिस्चार्ज के दौरान ये लिथियम पॉलीसल्फाइड तेजी से कैथोड संरचना में फैल जाते हैं और नैनोस्केल क्रिस्टलाइट्स से युक्त लिथियम सल्फाइड में बदल जाते हैं। यह प्रक्रिया वाणिज्यिक आकार की कोशिकाओं में सल्फर हानि और प्रदर्शन में गिरावट को रोकती है।

प्रतिक्रिया तंत्र के चारों ओर इस ब्लैक बॉक्स को खोलने में, वैज्ञानिकों ने अत्याधुनिक लक्षण वर्णन तकनीकों का इस्तेमाल किया। विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा के डीओई कार्यालय, उन्नत फोटॉन स्रोत के बीमलाइन 20-बीएम पर तीव्र सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे बीम के साथ उत्प्रेरक की संरचना के विश्लेषण से पता चला कि यह प्रतिक्रिया मार्ग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उत्प्रेरक संरचना निर्वहन पर अंतिम उत्पाद के आकार और संरचना के साथ-साथ मध्यवर्ती उत्पादों को भी प्रभावित करती है। उत्प्रेरक के साथ, पूर्ण निर्वहन पर नैनोक्रिस्टलाइन लिथियम सल्फाइड बनता है। उत्प्रेरक के बिना, सूक्ष्म छड़ के आकार की संरचनाएँ बनती हैं।

"हमारी टीम के प्रयास अमेरिका को हरित और अधिक टिकाऊ परिवहन परिदृश्य के करीब एक बड़ा कदम ला सकते हैं।" - गुई-लिआंग जू, आर्गोन के रसायन विज्ञान और इंजीनियरिंग प्रभाग में रसायनज्ञ

ज़ियामेन विश्वविद्यालय में विकसित एक अन्य महत्वपूर्ण तकनीक ने टीम को नैनोस्केल पर इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस की कल्पना करने की अनुमति दी, जबकि एक परीक्षण सेल काम कर रहा था। इस नई आविष्कृत तकनीक ने नैनोस्केल पर परिवर्तनों को एक ऑपरेटिंग सेल के व्यवहार से जोड़ने में मदद की।

जू ने कहा, "हमारी रोमांचक खोज के आधार पर, हम और भी बेहतर सल्फर कैथोड डिजाइन करने के लिए और अधिक शोध करेंगे।" ''यह पता लगाना भी सार्थक होगा कि क्या यह तंत्र अन्य अगली पीढ़ी की बैटरियों, जैसे सोडियम-सल्फर पर भी लागू होता है।''

टीम की इस नवीनतम सफलता के साथ, लिथियम-सल्फर बैटरी का भविष्य उज्जवल दिखाई देता है, जो परिवहन उद्योग के लिए अधिक टिकाऊ और पर्यावरण-अनुकूल समाधान पेश करता है।

इस शोध पर एक लेख नेचर में छपा। ज़ू के अलावा, लेखकों में शियुआन झोउ, जी शि, संगुई लियू, जेन ली, फी पेई, यूहु चेन, जुनक्सियन डेंग, किज़ेंग झेंग, जियायी ली, चेन झाओ, इनहुई ह्वांग, चेंग-जून सन, युज़ी लियू, यू डेंग शामिल हैं। , लिंग हुआंग, यू किआओ, जियान-फेंग चेन, खलील अमीन, शि-गैंग सन और होंग-गैंग लियाओ।

अन्य भाग लेने वाले संस्थानों में ज़ियामेन विश्वविद्यालय, बीजिंग रासायनिक प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और नानजिंग विश्वविद्यालय शामिल हैं। आर्गन अनुसंधान को ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा कार्यालय में वाहन प्रौद्योगिकी के डीओई कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया था।

उन्नत फोटॉन स्रोत के बारे में

आर्गन नेशनल लेबोरेटरी में विज्ञान के उन्नत फोटॉन सोर्स (APS) के अमेरिकी ऊर्जा विभाग दुनिया के सबसे उत्पादक एक्स-रे प्रकाश स्रोत सुविधाओं में से एक है। एपीएस सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीवन और पर्यावरण विज्ञान, और अनुप्रयुक्त अनुसंधान में शोधकर्ताओं के विविध समुदाय को उच्च चमक वाले एक्स-रे बीम प्रदान करता है। ये एक्स-रे सामग्री और जैविक संरचनाओं के अन्वेषण के लिए आदर्श रूप से अनुकूल हैं; तात्विक वितरण; रासायनिक, चुंबकीय, इलेक्ट्रॉनिक राज्य; और बैटरी से ईंधन इंजेक्टर स्प्रे तक तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग प्रणालियों की एक विस्तृत श्रृंखला, ये सभी हमारे देश की आर्थिक, तकनीकी और भौतिक भलाई की नींव हैं। हर साल, 5,000 से अधिक शोधकर्ता प्रभावशाली खोजों का विवरण देते हुए एपीएस का उपयोग 2,000 से अधिक प्रकाशनों का उत्पादन करने के लिए करते हैं, और किसी भी अन्य एक्स-रे प्रकाश स्रोत अनुसंधान सुविधा के उपयोगकर्ताओं की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण जैविक प्रोटीन संरचनाओं को हल करते हैं। एपीएस वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने प्रौद्योगिकी को नया रूप दिया जो कि त्वरक और प्रकाश-स्रोत संचालन को आगे बढ़ाने के दिल में है। इसमें सम्मिलन उपकरण शामिल हैं, जो शोधकर्ताओं द्वारा बेशकीमती एक्स-रे का उत्पादन करते हैं, लेंस जो एक्स-रे को कुछ नैनोमीटर तक केंद्रित करते हैं, इंस्ट्रूमेंटेशन जिस तरह से एक्स-रे का अध्ययन किया जा रहा है नमूनों के साथ बातचीत को अधिकतम करता है, और सॉफ्टवेयर - इकट्ठा और एपीएस में खोज अनुसंधान के परिणामस्वरूप बड़े पैमाने पर डेटा का प्रबंधन करता है।

इस शोध में उन्नत फोटॉन स्रोत के संसाधनों का उपयोग किया गया, एक अमेरिकी डीओई ऑफिस ऑफ साइंस यूजर सुविधा अनुबंध संख्या डीई- AC02-06CH11357 के तहत Argonne National Laboratory द्वारा डीओई ऑफिस ऑफ साइंस के लिए संचालित किया गया।

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डीओई/आर्गोन राष्ट्रीय प्रयोगशाला के बारे में
Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला विज्ञान और प्रौद्योगिकी में राष्ट्रीय समस्याओं को दबाने के लिए समाधान चाहती है। देश की पहली राष्ट्रीय प्रयोगशाला, Argonne लगभग हर वैज्ञानिक विषय में अग्रणी बुनियादी और अनुप्रयुक्त वैज्ञानिक अनुसंधान करती है। Argonne शोधकर्ता सैकड़ों कंपनियों, विश्वविद्यालयों और संघीय, राज्य और नगरपालिका एजेंसियों के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर काम करते हैं ताकि उन्हें उनकी विशिष्ट समस्याओं को हल करने में मदद मिल सके, अमेरिका के वैज्ञानिक नेतृत्व को आगे बढ़ाया जा सके और देश को बेहतर भविष्य के लिए तैयार किया जा सके। 60 से अधिक देशों के कर्मचारियों के साथ, Argonne का प्रबंधन UChicago Argonne, LLC द्वारा अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के लिए किया जाता है।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग का विज्ञान कार्यालय संयुक्त राज्य अमेरिका में भौतिक विज्ञान में बुनियादी अनुसंधान का सबसे बड़ा समर्थक है और हमारे समय की कुछ सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों का समाधान करने के लिए काम कर रहा है। ज्यादा जानकारी के लिये पधारें https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

अधिक जानकारी के लिए, कृपया क्लिक करें यहाँ उत्पन्न करें

संपर्क:
डायना एंडरसन
डीओई / आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला

कॉपीराइट © डीओई/आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी

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• स्रोत: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392