आर्गन रिसर्च ने ठोस-राज्य बैटरी को आगे बढ़ाया

अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) आर्गन नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं द्वारा एसीएस सामग्री पत्रों में प्रकाशित एक अध्ययन ने सभी-ठोस-राज्य बैटरी के लिए ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की जांच की।निष्कर्ष सुरक्षित और अधिक ऊर्जा-कुशल बैटरी प्रौद्योगिकियों के विकास में योगदान करते हैं।

लिथियम-आयन बैटरी सेल फोन, लैपटॉप और इलेक्ट्रिक वाहनों सहित उपकरणों की एक श्रृंखला को शक्ति प्रदान करती है।उनके व्यापक उपयोग को देखते हुए, शोधकर्ता बैटरी सुरक्षा और दक्षता बढ़ाने के तरीकों का पता लगाना जारी रखते हैं।

इलेक्ट्रोलाइट्स झिल्ली के रूप में कार्य करते हैं जो बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच लिथियम-आयन परिवहन की सुविधा प्रदान करते हैं।पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी के विपरीत, जो तरल इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करते हैं, ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को रोजगार देती हैं।ये सामग्रियां उच्च ऊर्जा घनत्व, लंबे समय तक जीवनकाल और बेहतर सुरक्षा प्रदान करती हैं, क्योंकि वे न तो अस्थिर हैं और न ही ज्वलनशील हैं।

ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स भी लिथियम धातु के साथ कम प्रतिक्रियाशील होते हैं, जो उन्हें तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में लिथियम धातु इलेक्ट्रोड के लिए अधिक उपयुक्त बनाते हैं।लिथियम धातु में ग्रेफाइट, एक पारंपरिक इलेक्ट्रोड सामग्री की तुलना में एक उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, क्योंकि इसके सभी परमाणु चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों में भाग लेते हैं।

लिथियम लैंथेनम जिरकोनियम गार्नेट (LLZO) अपनी स्थिरता, स्थायित्व और उच्च आयनिक चालकता के कारण एक आशाजनक ठोस इलेक्ट्रोलाइट है, जो इलेक्ट्रोड के बीच कुशल लिथियम-आयन परिवहन को सक्षम बनाता है।शोधकर्ताओं ने अपनी चालकता को बढ़ाने के लिए एल्यूमीनियम या गैलियम जैसे तत्वों के साथ डोपिंग LLZO की खोज की है।डोपिंग में सामग्री के गुणों को संशोधित करने के लिए किसी अन्य तत्व की छोटी मात्रा शुरू करना शामिल है।

एल्यूमीनियम या गैलियम के साथ डोपिंग LLZO को अपनी सबसे सममित संरचना को बनाए रखने में मदद करता है और खाली साइटों का परिचय देता है जो लिथियम-आयन आंदोलन को सुविधाजनक बनाते हैं, चालकता में सुधार करते हैं।हालांकि, डोपिंग लिथियम धातु के साथ LLZO की प्रतिक्रियाशीलता को भी बढ़ा सकती है, जो बैटरी चक्र जीवन को कम कर सकती है।

इस ट्रेडऑफ को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने कम्प्यूटेशनल और प्रयोगात्मक तरीकों का उपयोग करके डोपेड एलएलजेडओ और मेटालिक लिथियम के बीच बातचीत की जांच की।उन्होंने पाया कि गैलियम अधिक मोबाइल है और आसानी से लिथियम के साथ एक मिश्र धातु बनाता है, जिससे Llzo से इसकी कमी होती है।यह कमी लिथियम गार्नेट की संरचना को बदल देती है और इसकी आयनिक चालकता को कम करती है।इसके विपरीत, एल्यूमीनियम-डोपेड एलएलजो अधिक स्थिर रहता है।

गैलियम-डोपेड LLZO एल्यूमीनियम-डोपेड LLZO की तुलना में उच्च आयनिक चालकता प्रदान करता है, लेकिन लिथियम के साथ इसकी प्रतिक्रियाशीलता बताती है कि गिरावट को रोकने के लिए चालकता बनाए रखने के लिए एक इंटरफेसियल परत आवश्यक है।

ये निष्कर्ष इस बात की जानकारी प्रदान करते हैं कि अलग-अलग डोपेंट LLZO के प्रदर्शन और स्थिरता को कैसे प्रभावित करते हैं, अधिक विश्वसनीय ठोस-राज्य बैटरी के विकास को सूचित करते हैं।

कम्प्यूटेशनल और प्रायोगिक दृष्टिकोणों को एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने लिथियम धातु और ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच बातचीत में परमाणु-स्तरीय अंतर्दृष्टि प्राप्त करते हुए डोपेड सामग्रियों के प्रमुख गुणों को मापा।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग करते हुए, सामग्री में परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार के मॉडलिंग के लिए एक कम्प्यूटेशनल विधि, उन्होंने डोपेंट स्थिरता और अन्य घटकों के साथ इसकी बातचीत की भविष्यवाणी की।

कुछ प्रायोगिक तकनीकें ठोस इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की प्रत्यक्ष जांच की अनुमति देती हैं, विशेष रूप से बैटरी संचालन में विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान।Tepavcevic ने कहा कि ये इंटरफेस "दफन" हैं और पारंपरिक प्रयोगात्मक तरीकों के साथ आसानी से सुलभ नहीं हैं।

LLZO में सतह रसायन विज्ञान परिवर्तनों का विश्लेषण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया।इलेक्ट्रोलाइट के भीतर और इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस के भीतर लिथियम-आयन गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया गया था।

न्यूट्रॉन विवर्तन, एक अन्य प्रायोगिक तकनीक, का उपयोग सामग्री में परमाणु व्यवस्था निर्धारित करने के लिए किया गया था।इस पद्धति ने पुष्टि की कि लिथियम के साथ बातचीत करते समय गैलियम कम स्थिर और अधिक प्रतिक्रियाशील हो गया, जबकि एल्यूमीनियम स्थिर रहा।

अध्ययन को कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा जैसे संस्थानों के साथ सहयोग से लाभ हुआ, जिसने उच्च गुणवत्ता वाले एलएलजेडओ नमूने प्रदान किए।न्यूट्रॉन विवर्तन प्रयोगों को चेक गणराज्य में चेक गणराज्य में चेक एकेडमी ऑफ साइंसेज और जर्मनी में हेंज मैयर-लेबनिट्ज़ ज़ेंट्रम में न्यूक्लियर फिजिक्स इंस्टीट्यूट में आयोजित किया गया था।

ज़ापोल ने कहा, “इस काम के लिए यूएस-जर्मन सहयोग की भूमिका बिल्कुल महत्वपूर्ण थी।आगे देखते हुए, ये निष्कर्ष सुरक्षित, अधिक कुशल ठोस-राज्य बैटरी के अंतर्राष्ट्रीय खोज में नए रास्ते खोलते हैं। ”

अध्ययन को ऊर्जा भंडारण पर यूएस-जर्मन सहयोग द्वारा समर्थित किया गया था, जो कि लिथियम बैटरी पर सहयोगी अनुसंधान की सुविधा के लिए वाहन प्रौद्योगिकी कार्यालय के लिए डीओई के ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा कार्यालय द्वारा स्थापित किया गया था।

आर्गन के योगदानकर्ताओं में टेपावेविक और जैपोल के साथ यीसी झू, जस्टिन कोनेल, ज़ाचरी हूड, माइकल कोनिहान और मैथ्यू क्लेनक शामिल हैं।जेफ सकामोटो द्वारा कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा से अतिरिक्त योगदान दिया गया;चेक एकेडमी ऑफ साइंसेज के न्यूक्लियर फिजिक्स इंस्टीट्यूट से चार्ल्स हर्वोच;और नीलिमा पॉल और राल्फ गाइल्स हेंज मैयर-लेबनिट्ज़ ज़ेंट्रम से।