परदेशी मीडिया रिपोर्ट्सनुसार, यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी (DOE) च्या ब्रूकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरी (ब्रूकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरी) मधील संशोधकांच्या गटाने लिथियम मेटल एनोड बॅटरीच्या अंतर्गत प्रतिक्रिया यंत्रणेबद्दल नवीन तपशील निश्चित केले आहेत. , स्वस्त इलेक्ट्रिक वाहन बॅटरीसाठी एक महत्त्वाचा टप्पा.

ब्रुकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरीमधील बॅटरी संशोधक (प्रतिमा स्त्रोत: ब्रूकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरी)

लिथियम एनोडची पुनर्निर्मिती

स्मार्ट फोनपासून इलेक्ट्रिक वाहनांपर्यंतची परंपरा आपल्याला पाहायला मिळते. जरी लिथियम बॅटरीने अनेक तंत्रज्ञानाचा मोठ्या प्रमाणावर वापर करण्यास सक्षम केले असले, तरीही त्यांना इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी लांब-अंतराची उर्जा प्रदान करण्यात आव्हानांचा सामना करावा लागतो.

बॅटरी500, यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जीच्या पॅसिफिक नॉर्थवेस्ट नॅशनल लॅबोरेटरी (PNNL) आणि यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी द्वारे वित्तपुरवठा केलेल्या विद्यापीठ संशोधकांच्या नेतृत्वाखालील युती, 500Wh/kg ऊर्जा घनतेसह बॅटरी सेल तयार करण्याचे उद्दिष्ट ठेवते. दुसऱ्या शब्दांत, आजच्या सर्वात प्रगत बॅटरीच्या ऊर्जा घनतेच्या दुप्पट आहे. यासाठी, युती लिथियम मेटल एनोड्सपासून बनवलेल्या बॅटरीवर लक्ष केंद्रित करते.

लिथियम धातूच्या बॅटरी लिथियम धातूचा वापर एनोड म्हणून करतात. याउलट, बहुतेक लिथियम बॅटरी ग्रेफाइटचा वापर एनोड म्हणून करतात. “बॅटरी 500 उर्जा घनतेचे लक्ष्य गाठण्यासाठी लिथियम एनोड हे मुख्य घटकांपैकी एक आहे,” संशोधकांनी सांगितले. “फायदा असा आहे की उर्जेची घनता विद्यमान बॅटरीच्या दुप्पट आहे. प्रथम, एनोडची विशिष्ट क्षमता खूप जास्त आहे; दुसरे म्हणजे, तुमच्याकडे जास्त व्होल्टेज बॅटरी असू शकते आणि दोन्हीच्या मिश्रणात जास्त ऊर्जा घनता असू शकते.”

शास्त्रज्ञांनी लिथियम एनोड्सचे फायदे फार पूर्वीपासून ओळखले आहेत; खरेतर, लिथियम मेटल एनोड हा बॅटरी कॅथोडशी जोडलेला पहिला एनोड आहे. तथापि, एनोडच्या “पलटण्यायोग्यता” च्या कमतरतेमुळे, म्हणजे, उलट करता येण्याजोग्या इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियाद्वारे चार्ज करण्याची क्षमता, बॅटरी संशोधकांनी लिथियम बॅटरी बनवण्यासाठी लिथियम मेटल एनोड्सऐवजी ग्रेफाइट एनोड्स वापरणे समाप्त केले.

आता, अनेक दशकांच्या प्रगतीनंतर, संशोधकांना लिथियम बॅटरीच्या मर्यादेला धक्का देण्यासाठी एक उलट करता येण्याजोगा लिथियम मेटल एनोड लक्षात येईल असा विश्वास आहे. मुख्य म्हणजे इंटरफेस, इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रिया दरम्यान बॅटरीच्या इलेक्ट्रोडवर तयार होणारा घन पदार्थाचा थर.

“आम्ही हा इंटरफेस पूर्णपणे समजू शकलो, तर ते मटेरियल डिझाइन आणि रिव्हर्सिबल लिथियम एनोड्सच्या निर्मितीसाठी महत्त्वपूर्ण मार्गदर्शन प्रदान करू शकते,” संशोधकांनी सांगितले. “परंतु हा इंटरफेस समजून घेणे खूप आव्हानात्मक आहे कारण हा सामग्रीचा एक अतिशय पातळ थर आहे, फक्त काही नॅनोमीटर जाडीचा आहे आणि तो हवा आणि आर्द्रतेसाठी संवेदनशील आहे, त्यामुळे नमुने हाताळणे अवघड आहे.”

हा इंटरफेस NSLS-II मध्ये दृश्यमान आहे

ही आव्हाने सोडवण्यासाठी आणि इंटरफेसची रासायनिक रचना आणि रचना “पाहण्यासाठी”, संशोधकांनी नॅशनल सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन लाइट सोर्स II (NSLS-II), ब्रूकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरीच्या DOE सायन्स ऑफिसची वापरकर्ता सुविधा वापरली. अणु स्केलवर इंटरफेसच्या भौतिक गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी सुपर ब्राइट एक्स-रे.

nSLS-II ची प्रगत क्षमता वापरण्याव्यतिरिक्त, टीमला एक बीम लाइन (प्रायोगिक स्टेशन) देखील वापरण्याची आवश्यकता आहे जी इंटरफेसचे सर्व घटक शोधू शकते आणि क्रिस्टलाइन शोधण्यासाठी उच्च-ऊर्जा (शॉर्ट-वेव्हलेंथ) क्ष-किरण वापरते. आणि आकारहीन टप्पे.

“केमिस्ट्री टीमने बीमलाइन, एक्स-रे डिफ्रॅक्शन (XRD) आणि डिस्ट्रिब्युशन फंक्शन (PDF) विश्लेषणाद्वारे प्रदान केलेल्या दोन भिन्न तंत्रांचा वापर करून XPD मल्टी-मोड दृष्टीकोन स्वीकारला,” संशोधकांनी सांगितले. “XRD स्फटिकीय टप्प्यांचा अभ्यास करू शकते आणि PDF अनाकार टप्प्यांचा अभ्यास करू शकते.”

XRD आणि PDF विश्लेषणाने रोमांचक परिणाम उघड केले: इंटरफेसमध्ये लिथियम हायड्राइड (LiH) अस्तित्वात आहे. अनेक दशकांपासून, शास्त्रज्ञ इंटरफेसमध्ये LiH च्या अस्तित्वाबद्दल वाद घालत आहेत, ज्यामुळे इंटरफेस तयार करणाऱ्या मूलभूत प्रतिक्रिया यंत्रणेबद्दल अनिश्चितता निर्माण झाली आहे.

“LiH आणि लिथियम फ्लोराईड (LiF) मध्ये खूप समान क्रिस्टल संरचना आहेत. LiH च्या शोधाबद्दलच्या आमच्या दाव्यावर काही लोकांकडून प्रश्नचिन्ह उपस्थित केले गेले आहे ज्यांचा असा विश्वास आहे की आम्ही LiH साठी LiF चुकतो,” संशोधकाने सांगितले.

अभ्यासातील वाद आणि LiF मधून LiH वेगळे करण्याच्या तांत्रिक आव्हानांच्या पार्श्‍वभूमीवर, संशोधन पथकाने LiH च्या अस्तित्वासाठी अनेक पुरावे प्रदान करण्याचा निर्णय घेतला, ज्यामध्ये हवेच्या एक्सपोजर प्रयोगांचा समावेश होता.

“संशोधक म्हणाले: “LiF हवेत स्थिर आहे, परंतु LiH अस्थिर आहे. जर आपण इंटरफेसला दमट हवेशी संपर्क साधला आणि कालांतराने कंपाऊंडचे प्रमाण कमी झाले, तर आपण खात्री करू शकतो की आपण खरोखर LiH पाहत आहोत, LiF नाही आणि ते LiF आहे. LiF मधून LiH वेगळे करण्यात अडचण आल्याने आणि हवेच्या प्रदर्शनाचा प्रयोग यापूर्वी कधीही केला गेला नव्हता, अनेक साहित्य अहवालांमध्ये LiH ला LiF असे चुकीचे समजले जाण्याची शक्यता आहे, किंवा आर्द्र वातावरणात LiH विघटन झाल्यामुळे ते पाळले जात नाही. ”

संशोधक पुढे गेला. “PNNL ने केलेले नमुना तयार करण्याचे काम या संशोधनासाठी महत्त्वाचे आहे. आम्हाला शंका आहे की बरेच लोक LiH ओळखण्यात अयशस्वी झाले कारण त्यांचे नमुने प्रयोगापूर्वी आर्द्र वातावरणात उघड झाले होते.” तुम्ही नमुने योग्यरित्या गोळा केले नसल्यास, नमुने आणि शिपिंग नमुने सील करा, तुमची LiH चुकू शकते. ”

LiH च्या अस्तित्वाची पुष्टी करण्याबरोबरच, टीमने LiF च्या सभोवतालचे आणखी एक दीर्घकालीन रहस्य देखील सोडवले. LiF ला फार पूर्वीपासून इंटरफेसचा एक फायदेशीर घटक मानला जात आहे, परंतु कोणालाही त्याचे कारण पूर्णपणे समजलेले नाही. संघाने इंटरफेसमधील LiF चे संरचनात्मक फरक आणि LiF चेच बहुतेक संरचनात्मक फरक निर्धारित केले आणि असे आढळले की पूर्वीने एनोड आणि कॅथोड दरम्यान लिथियम आयनच्या वाहतुकीस प्रोत्साहन दिले.

ब्रुकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरी, इतर राष्ट्रीय प्रयोगशाळा आणि विद्यापीठांमधील बॅटरी शास्त्रज्ञ सहकार्य करत आहेत. संशोधकांनी सांगितले की हे परिणाम लिथियम मेटल एनोड्सच्या विकासासाठी अत्यंत आवश्यक व्यावहारिक मार्गदर्शन प्रदान करतील.