बेहतर, तेज़, मजबूत: बैटरी बनाना जो उछाल नहीं जाता है

लिथियम आयन बैटरी बेहतर भंडारण क्षमता के लिए अविश्वसनीय वादा रखती है, लेकिन वे अस्थिर हैं। हमने सभी फोनों में लिथियम आयन बैटरियों के बारे में खबरें सुनी हैं - सबसे विशेष रूप से सैमसंग गैलेक्सी 7 - फोनों को आग लगने का कारण बनता है।

बैटरी के अंदर ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट के उपयोग से अधिकांश समस्या उत्पन्न होती है। एक दृष्टिकोण एक गैर-ज्वलनशील ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग लिथियम धातु इलेक्ट्रोड के साथ करना है। इससे बैटरी की ऊर्जा में वृद्धि होगी जबकि एक ही समय में आग की संभावना कम हो जाएगी।

अनिवार्य रूप से, गंतव्य अगली पीढ़ी के ठोस-राज्य बैटरी का निर्माण कर रहा है जो उछाल नहीं लेते हैं। यात्रा मूल रूप से लिथियम को समझना है।

मिशिगन टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर एरिक हर्बर्ट कहते हैं, "हर कोई सिर्फ बैटरी के ऊर्जा भंडारण घटकों को देख रहा है।" "बहुत कम शोध समूह यांत्रिक तत्वों को समझने में रुचि रखते हैं। लेकिन कम और देखते हुए, हम यह खोज रहे हैं कि लिथियम के यांत्रिक गुण स्वयं पहेली का मुख्य भाग हो सकते हैं।"

मिशिगन टेक शोधकर्ताओं ने लिथियम की मूलभूत समझ हासिल करने में महत्वपूर्ण योगदान दिया है, जो आज जर्नल ऑफ मैटेरियल्स रिसर्च में एक आमंत्रित तीन-पेपर श्रृंखला में प्रकाशित परिणामों के साथ प्रकाशित किया गया है, जो सामग्री अनुसंधान सोसाइटी और कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस द्वारा संयुक्त रूप से प्रकाशित किया गया है। हर्बर्ट और स्टीफन हैकनी, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर, मिशिगन टेक के स्नातक छात्र वायोलेट थोल के साथ, ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी में नैन्सी डुडनी और पाउडर मेटलर्जी और नई सामग्री के अंतर्राष्ट्रीय उन्नत अनुसंधान केंद्र में सुदर्शन फ़ानी के साथ, परिणाम साझा करते हैं अगली पीढ़ी की बैटरी के प्रदर्शन और सुरक्षा को नियंत्रित करने में लिथियम के यांत्रिक व्यवहार के महत्व को रेखांकित करें।

एक फ्रीज-थॉ चक्र हानिकारक कंक्रीट की तरह, लिथियम डेंडर्राइट क्षति बैटरी

लिथियम एक बेहद प्रतिक्रियाशील धातु है, जो इसे दुर्व्यवहार के लिए प्रवण बनाता है। लेकिन यह ऊर्जा भंडारण में भी बहुत अच्छा है। हम अपने फोन (और कंप्यूटर, टैबलेट और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों) को जितनी जल्दी हो सके चार्ज करना चाहते हैं, और इसलिए बैटरी निर्माताओं को जुड़वां दबाव का सामना करना पड़ता है: कैथोड और एनोड के बीच जितना तेज़ हो सके, और बहुत तेज़ी से चार्ज करने वाली बैटरी बनाएं, और बार-बार चार्ज होने के बावजूद बैटरी विश्वसनीय बनाते हैं।

लिथियम एक बहुत नरम धातु है, लेकिन यह बैटरी ऑपरेशन के दौरान अपेक्षित व्यवहार नहीं करता है। लिथियम एनोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट विभाजक के बीच इंटरफ़ेस पर - पूर्व-विद्यमान और अपरिहार्य सूक्ष्म दोषों - ग्रूव, छिद्रों और खरोंच - भरने के लिए डेंडर्राइट नामक लिथियम की सूक्ष्म उंगलियों में बैटरी परिणामों को चार्ज करने और निकालने के दौरान अनजाने में होता है।

निरंतर साइकल चलने के दौरान, ये डेंडर्राइट ठोस इलेक्ट्रोलाइट परत के माध्यम से, और अंततः, जिसने शारीरिक रूप से एनोड और कैथोड को अलग किया है, के माध्यम से अपना रास्ता मजबूर कर सकते हैं। एक बार एक डेंडर्राइट कैथोड तक पहुंच जाता है, डिवाइस शॉर्ट सर्किट और विफल रहता है, अक्सर आपदाजनक रूप से। हर्बर्ट और हैकनी का शोध इस बात पर केंद्रित है कि कैसे लिथियम दबाव को कम करता है जो एक ठोस-राज्य बैटरी चार्ज करने और निर्वहन के दौरान स्वाभाविक रूप से विकसित होता है।

उनके काम में लिथियम के उल्लेखनीय व्यवहार को submicron लंबाई के पैमाने पर दस्तावेज किया गया है - लिथियम के सबसे छोटे और तर्कसंगत रूप से सबसे अधिक परेशान गुणों में ड्रिलिंग। धातु को विकृत करने के लिए हीरा-टिप वाली जांच के साथ लिथियम फिल्मों को इंडेंट करके, शोधकर्ताओं का पता चलता है कि धातु दबाव पर कैसे प्रतिक्रिया करता है। उनके परिणाम कैल टेक के शोधकर्ताओं ने इस साल की शुरुआत में रिपोर्ट की गई छोटी-छोटी स्केल पर लिथियम की अप्रत्याशित रूप से उच्च शक्ति की पुष्टि की।

हर्बर्ट और हैकनी लिथियम की आश्चर्यजनक उच्च शक्ति के उद्घाटन, यांत्रिक स्पष्टीकरण प्रदान करके उस शोध पर निर्माण करते हैं।

इंडेंटर टिप द्वारा लगाए गए दबाव को कम करने के प्रयास में लिथियम की अपनी परमाणुओं या आयनों को फैलाने या पुनर्व्यवस्थित करने की क्षमता ने शोधकर्ताओं को उस गति के महत्व को दिखाया जिस पर लिथियम विकृत हो गया है (जो कि बैटरी से कितनी तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज किया जाता है) साथ ही साथ लिथियम आयनों की व्यवस्था में दोष और विचलन के प्रभाव जो एनोड शामिल हैं।

लिथियम के व्यवहार को समझने के लिए नीचे ड्रिलिंग

लेख में "उच्च शुद्धता वाष्प की नैनोइंडेंटेशन लिथियम फिल्मों को जमा किया गया: लोचदार मॉड्यूलस," शोधकर्ता लिथियम आयनों के भौतिक अभिविन्यास में परिवर्तन को दर्शाने के लिए लिथियम के लोचदार गुणों को मापते हैं। ये परिणाम सभी भविष्य सिमुलेशन कार्य में लिथियम के अभिविन्यास-निर्भर लोचदार गुणों को शामिल करने की आवश्यकता पर बल देते हैं। हर्बर्ट और हैकनी भी प्रयोगात्मक साक्ष्य प्रदान करते हैं जो इंगित करता है कि लिथियम में 500 नैनोमीटर से कम लंबाई के पैमाने पर यांत्रिक ऊर्जा को गर्मी में बदलने की क्षमता बढ़ सकती है।

इस आलेख में, "उच्च शुद्धता वाष्प का नैनोइंडेंटेशन लिथियम फिल्मों को जमा करता है: प्रसार-मध्यस्थ प्रवाह का एक यांत्रिक तर्कसंगतता," हर्बर्ट और हैकनी दस्तावेज़ लिथियम की उल्लेखनीय उच्च शक्ति 500 ​​नैनोमीटर से कम लंबाई के पैमाने पर, और वे अपना मूल रूपरेखा प्रदान करते हैं, जिसका उद्देश्य यह समझाना है कि लिथियम की दबाव को नियंत्रित करने की क्षमता कैसे प्रसार और उस दर पर नियंत्रित होती है जिस पर सामग्री विकृत होती है।

आखिरकार, "उच्च शुद्धता वाष्प की नैनोइंडेंशनेशन लिथियम फिल्मों को जमा करती है: लेखकों से विस्थापन-मध्यस्थ प्रवाह में संक्रमण का एक यांत्रिक तर्कसंगतता, लेखक एक सांख्यिकीय मॉडल प्रदान करते हैं जो उन शर्तों को बताता है जिनके तहत लिथियम एक अचानक संक्रमण से गुजरता है जो इसके आगे की सुविधा प्रदान करता है दबाव कम करने की क्षमता। वे एक मॉडल भी प्रदान करते हैं जो सीधे बैटरी के प्रदर्शन के लिए लिथियम के यांत्रिक व्यवहार को जोड़ता है।

हर्बर्ट का कहना है, "हम उन तंत्रों को समझने की कोशिश कर रहे हैं जिनके द्वारा लिथियम लंबे पैमाने पर दबाव को कम करता है जो इंटरफेसियल दोषों के अनुरूप हैं।" इस मौलिक मुद्दे की हमारी समझ में सुधार करने से सुरक्षित, दीर्घकालिक और उच्च दर वाले साइकिल प्रदर्शन को बढ़ावा देने वाले स्थिर इंटरफ़ेस के विकास को सीधे सक्षम किया जाएगा।

हर्बर्ट कहते हैं: "मुझे आशा है कि हमारे काम पर अगली-जेन स्टोरेज डिवाइस विकसित करने की कोशिश करने वाले दिशा पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।"