വിദേശ മാധ്യമ റിപ്പോർട്ടുകൾ പ്രകാരം, യുഎസ് ഊർജ്ജ വകുപ്പിന്റെ (DOE) ബ്രൂക്ക്ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയിലെ (ബ്രൂക്ക്ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറി) ഒരു കൂട്ടം ഗവേഷകർ ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡ് ബാറ്ററികളുടെ ആന്തരിക പ്രതികരണ സംവിധാനത്തെക്കുറിച്ചുള്ള പുതിയ വിശദാംശങ്ങൾ നിർണ്ണയിച്ചു. , വിലകുറഞ്ഞ ഇലക്ട്രിക് വാഹന ബാറ്ററികൾക്കുള്ള ഒരു സുപ്രധാന ഘട്ടം.

ബ്രൂക്ക്‌ഹേവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയിലെ ബാറ്ററി ഗവേഷകർ (ചിത്രത്തിന്റെ ഉറവിടം: ബ്രൂക്ക്‌ഹേവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറി)

ലിഥിയം ആനോഡിന്റെ പുനർനിർമ്മാണം

സ്മാർട് ഫോണുകൾ മുതൽ ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾ വരെ നമുക്ക് പാരമ്പര്യം കാണാൻ കഴിയും. ലിഥിയം ബാറ്ററികൾ പല സാങ്കേതികവിദ്യകളും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നതിന് പ്രാപ്തമാക്കിയിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾക്ക് ദീർഘദൂര വൈദ്യുതി നൽകുന്നതിൽ അവ ഇപ്പോഴും വെല്ലുവിളികൾ നേരിടുന്നു.

യുഎസ് ഡിപ്പാർട്ട്‌മെന്റ് ഓഫ് എനർജിയുടെ പസഫിക് നോർത്ത്‌വെസ്റ്റ് നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയും (പിഎൻഎൻഎൽ) യുഎസ് ഡിപ്പാർട്ട്‌മെന്റ് ഓഫ് എനർജിയും ചേർന്ന് ധനസഹായം നൽകുന്ന യൂണിവേഴ്‌സിറ്റി ഗവേഷകരുടെ നേതൃത്വത്തിലുള്ള ഒരു കൂട്ടുകെട്ടായ Battery500, 500Wh/kg ഊർജ സാന്ദ്രതയുള്ള ബാറ്ററി സെൽ സൃഷ്ടിക്കാൻ ലക്ഷ്യമിടുന്നു. മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, ഇന്നത്തെ ഏറ്റവും നൂതന ബാറ്ററികളേക്കാൾ ഇരട്ടി ഊർജ്ജ സാന്ദ്രതയാണിത്. ഇതിനായി, ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡുകൾ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ച ബാറ്ററികളിൽ ഈ സഖ്യം ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു.

ലിഥിയം മെറ്റൽ ബാറ്ററികൾ ലിഥിയം ലോഹത്തെ ആനോഡായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇതിനു വിപരീതമായി, മിക്ക ലിഥിയം ബാറ്ററികളും ഗ്രാഫൈറ്റാണ് ആനോഡായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. “ബാറ്ററി500 ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത ലക്ഷ്യത്തിലെത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന ഘടകങ്ങളിലൊന്നാണ് ലിഥിയം ആനോഡ്,” ഗവേഷകർ പറഞ്ഞു. “ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത നിലവിലുള്ള ബാറ്ററികളേക്കാൾ ഇരട്ടിയാണ് എന്നതാണ് നേട്ടം. ആദ്യം, ആനോഡിന്റെ പ്രത്യേക ശേഷി വളരെ ഉയർന്നതാണ്; രണ്ടാമതായി, നിങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് ബാറ്ററി ഉണ്ടായിരിക്കാം, ഇവ രണ്ടും കൂടിച്ചേർന്നാൽ ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത ഉണ്ടായിരിക്കും.

ലിഥിയം ആനോഡുകളുടെ ഗുണങ്ങൾ ശാസ്ത്രജ്ഞർ പണ്ടേ തിരിച്ചറിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്; വാസ്തവത്തിൽ, ബാറ്ററി കാഥോഡുമായി ബന്ധിപ്പിച്ച ആദ്യത്തെ ആനോഡാണ് ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡ്. എന്നിരുന്നാലും, ആനോഡിന്റെ “റിവേഴ്സിബിലിറ്റി” ഇല്ലാത്തതിനാൽ, അതായത്, റിവേഴ്സിബിൾ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ റിയാക്ഷനിലൂടെ ചാർജ് ചെയ്യാനുള്ള കഴിവ്, ബാറ്ററി ഗവേഷകർ ലിഥിയം ബാറ്ററികൾ നിർമ്മിക്കാൻ ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡുകൾക്ക് പകരം ഗ്രാഫൈറ്റ് ആനോഡുകൾ ഉപയോഗിച്ചു.

ഇപ്പോൾ, പതിറ്റാണ്ടുകളുടെ പുരോഗതിക്ക് ശേഷം, ലിഥിയം ബാറ്ററികളുടെ പരിധി ഉയർത്താൻ ഒരു റിവേർസിബിൾ ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡ് തിരിച്ചറിയാൻ ഗവേഷകർക്ക് ആത്മവിശ്വാസമുണ്ട്. ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രതിപ്രവർത്തന സമയത്ത് ബാറ്ററിയുടെ ഇലക്ട്രോഡുകളിൽ രൂപപ്പെടുന്ന സോളിഡ് മെറ്റീരിയൽ പാളിയായ ഇന്റർഫേസ് ആണ് പ്രധാനം.

“നമുക്ക് ഈ ഇന്റർഫേസ് പൂർണ്ണമായി മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയുമെങ്കിൽ, റിവേഴ്സിബിൾ ലിഥിയം ആനോഡുകളുടെ മെറ്റീരിയൽ രൂപകൽപ്പനയ്ക്കും നിർമ്മാണത്തിനും പ്രധാന മാർഗ്ഗനിർദ്ദേശം നൽകാൻ ഇതിന് കഴിയും,” ഗവേഷകർ പറഞ്ഞു. “എന്നാൽ ഈ ഇന്റർഫേസ് മനസ്സിലാക്കുന്നത് തികച്ചും ഒരു വെല്ലുവിളിയാണ്, കാരണം ഇത് വളരെ നേർത്ത മെറ്റീരിയലാണ്, കുറച്ച് നാനോമീറ്ററുകൾ മാത്രം കട്ടിയുള്ളതാണ്, മാത്രമല്ല ഇത് വായുവിനും ഈർപ്പത്തിനും സെൻസിറ്റീവ് ആണ്, അതിനാൽ സാമ്പിളുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടാണ്.”

ഈ ഇന്റർഫേസ് NSLS-II-ൽ ദൃശ്യവൽക്കരിച്ചിട്ടുണ്ട്

ഈ വെല്ലുവിളികൾ പരിഹരിക്കുന്നതിനും ഇന്റർഫേസിന്റെ രാസഘടനയും ഘടനയും “കാണാൻ”, ഗവേഷകർ ബ്രൂക്ക്ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയിലെ DOE സയൻസ് ഓഫീസിന്റെ ഉപയോക്തൃ സൗകര്യമായ നാഷണൽ സിൻക്രോട്രോൺ റേഡിയേഷൻ ലൈറ്റ് സോഴ്സ് II (NSLS-II) ഉപയോഗിച്ചു. ആറ്റോമിക് സ്കെയിലിൽ ഇന്റർഫേസിന്റെ മെറ്റീരിയൽ പ്രോപ്പർട്ടികൾ പഠിക്കാൻ സൂപ്പർ ബ്രൈറ്റ് എക്സ്-റേകൾ.

nSLS-II-ന്റെ വിപുലമായ കഴിവുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നതിന് പുറമേ, ഇന്റർഫേസിന്റെ എല്ലാ ഘടകങ്ങളും കണ്ടെത്താൻ കഴിയുന്ന ഒരു ബീം ലൈൻ (പരീക്ഷണാത്മക സ്റ്റേഷൻ) ടീമിന് ഉപയോഗിക്കേണ്ടതുണ്ട്, കൂടാതെ ക്രിസ്റ്റലിൻ കണ്ടെത്തുന്നതിന് ഉയർന്ന ഊർജ്ജ (ഹ്രസ്വ-തരംഗദൈർഘ്യം) എക്സ്-റേകൾ ഉപയോഗിക്കുകയും വേണം. രൂപരഹിതമായ ഘട്ടങ്ങളും.

“ബീംലൈൻ, എക്സ്-റേ ഡിഫ്രാക്ഷൻ (എക്സ്ആർഡി), ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ ഫംഗ്ഷൻ (പിഡിഎഫ്) വിശകലനം എന്നിവ നൽകുന്ന രണ്ട് വ്യത്യസ്ത സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ ഉപയോഗിച്ച് കെമിസ്ട്രി ടീം എക്സ്പിഡി മൾട്ടി-മോഡ് സമീപനം സ്വീകരിച്ചു,” ഗവേഷകർ പറഞ്ഞു. “XRD-ക്ക് ക്രിസ്റ്റലിൻ ഘട്ടങ്ങൾ പഠിക്കാനും PDF-ന് രൂപരഹിതമായ ഘട്ടങ്ങൾ പഠിക്കാനും കഴിയും.”

XRD, PDF വിശകലനം ആവേശകരമായ ഫലങ്ങൾ വെളിപ്പെടുത്തി: ലിഥിയം ഹൈഡ്രൈഡ് (LiH) ഇന്റർഫേസിൽ നിലവിലുണ്ട്. പതിറ്റാണ്ടുകളായി, ഇന്റർഫേസിൽ LiH ന്റെ നിലനിൽപ്പിനെക്കുറിച്ച് ശാസ്ത്രജ്ഞർ വാദിക്കുന്നു, ഇത് ഇന്റർഫേസ് രൂപപ്പെടുത്തുന്ന അടിസ്ഥാന പ്രതികരണ സംവിധാനത്തെക്കുറിച്ച് അനിശ്ചിതത്വം സൃഷ്ടിക്കുന്നു.

“LiH, ലിഥിയം ഫ്ലൂറൈഡ് (LiF) എന്നിവയ്ക്ക് വളരെ സമാനമായ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകളുണ്ട്. LiH-ന്റെ കണ്ടുപിടുത്തത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ഞങ്ങളുടെ അവകാശവാദം ഞങ്ങൾ LiF-നെ LiH ആയി തെറ്റിദ്ധരിക്കുന്നുവെന്ന് വിശ്വസിക്കുന്ന ചില ആളുകൾ ചോദ്യം ചെയ്തിട്ടുണ്ട്, ”ഗവേഷകൻ പറഞ്ഞു.

പഠനത്തിൽ ഉൾപ്പെട്ട വിവാദങ്ങളും LiH-ൽ നിന്ന് LiH-നെ വേർതിരിച്ചറിയുന്നതിനുള്ള സാങ്കേതിക വെല്ലുവിളികളും കണക്കിലെടുത്ത്, എയർ എക്സ്പോഷർ പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്തുന്നത് ഉൾപ്പെടെ LiH-ന്റെ നിലനിൽപ്പിന് ഒന്നിലധികം തെളിവുകൾ നൽകാൻ ഗവേഷണ സംഘം തീരുമാനിച്ചു.

“ഗവേഷകർ പറഞ്ഞു: “LiF വായുവിൽ സ്ഥിരതയുള്ളതാണ്, എന്നാൽ LiH അസ്ഥിരമാണ്. ഈർപ്പമുള്ള വായുവിലേക്ക് ഞങ്ങൾ ഇന്റർഫേസ് തുറന്നുകാട്ടുകയും, കാലക്രമേണ സംയുക്തത്തിന്റെ അളവ് കുറയുകയും ചെയ്താൽ, നമ്മൾ യഥാർത്ഥത്തിൽ LiH ആണ് കാണുന്നത്, LiF അല്ല, അത് LiF ആണെന്ന് സ്ഥിരീകരിക്കാൻ കഴിയും. LiF-ൽ നിന്ന് LiH-ൽ നിന്ന് വേർതിരിച്ചറിയാനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ട് കാരണം എയർ എക്സ്പോഷർ പരീക്ഷണം മുമ്പ് നടത്തിയിട്ടില്ലാത്തതിനാൽ, പല സാഹിത്യ റിപ്പോർട്ടുകളിലും LiH LiF ആയി തെറ്റിദ്ധരിക്കപ്പെടാൻ സാധ്യതയുണ്ട്, അല്ലെങ്കിൽ ഈർപ്പമുള്ള അന്തരീക്ഷത്തിൽ LiH വിഘടിക്കുന്നത് കാരണം ഇത് നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുന്നില്ല. ”

ഗവേഷകൻ തുടർന്നു. “പിഎൻഎൻഎൽ നടത്തിയ സാമ്പിൾ തയ്യാറാക്കൽ ജോലി ഈ ഗവേഷണത്തിന് നിർണായകമാണ്. പരീക്ഷണത്തിന് മുമ്പ് അവരുടെ സാമ്പിളുകൾ ഈർപ്പമുള്ള അന്തരീക്ഷത്തിലേക്ക് തുറന്നുകാട്ടപ്പെട്ടതിനാൽ പലരും LiH തിരിച്ചറിയുന്നതിൽ പരാജയപ്പെടുന്നുവെന്ന് ഞങ്ങൾ സംശയിക്കുന്നു. നിങ്ങൾ സാമ്പിളുകൾ ശരിയായി ശേഖരിക്കുകയും സാമ്പിളുകളും ഷിപ്പിംഗ് സാമ്പിളുകളും സീൽ ചെയ്യുകയും ചെയ്തില്ലെങ്കിൽ, നിങ്ങൾക്ക് LiH നഷ്‌ടമായേക്കാം. ”

LiH-ന്റെ അസ്തിത്വം സ്ഥിരീകരിക്കുന്നതിനു പുറമേ, LiF-നെ ചുറ്റിപ്പറ്റിയുള്ള ദീർഘകാല രഹസ്യവും ടീം പരിഹരിച്ചു. LiF വളരെക്കാലമായി ഇന്റർഫേസിന്റെ പ്രയോജനകരമായ ഘടകമായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു, പക്ഷേ ആരും അതിന്റെ കാരണം പൂർണ്ണമായി മനസ്സിലാക്കുന്നില്ല. ഇന്റർഫേസിനുള്ളിലെ LiF-ന്റെ ഘടനാപരമായ വ്യത്യാസങ്ങളും LiF-ന്റെ മിക്ക ഘടനാപരമായ വ്യത്യാസങ്ങളും ടീം നിർണ്ണയിച്ചു, കൂടാതെ ആനോഡിനും കാഥോഡിനും ഇടയിൽ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ ഗതാഗതം പ്രോത്സാഹിപ്പിച്ചതായി കണ്ടെത്തി.

ബ്രൂക്ക്ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറി, മറ്റ് ദേശീയ ലബോറട്ടറികൾ, സർവ്വകലാശാലകൾ എന്നിവയിൽ നിന്നുള്ള ബാറ്ററി ശാസ്ത്രജ്ഞർ സഹകരിക്കുന്നത് തുടരുന്നു. ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡുകളുടെ വികസനത്തിന് ആവശ്യമായ പ്രായോഗിക മാർഗനിർദേശം ഈ ഫലങ്ങൾ നൽകുമെന്ന് ഗവേഷകർ പറഞ്ഞു.