चीन के वैज्ञानिकों ने बैटरी के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति की घोषणा की है, जिसमें उन्होंने एक धातु सोडियम बैटरी विकसित की है जो केवल चार मिनट में पूरी तरह से चार्ज हो सकती है। इस नई प्रणाली ने हजारों घंटों के परीक्षणों के अधीन होने पर मजबूत स्थिरता प्रदर्शित की। इन निष्कर्षों को इस वर्ष मई में वैज्ञानिक प्रकाशन नैनो-माइक्रो लेटर्स में औपचारिक रूप से जारी किया गया था।
इस नवाचार का मुख्य उद्देश्य इस प्रकार की बैटरी में निहित प्रमुख बाधाओं में से एक को दूर करना है: डेंड्राइट का निर्माण। ये सूक्ष्म संरचनाएं शॉर्ट सर्किट पैदा कर सकती हैं और परिणामस्वरूप कोशिकाओं की स्थिरता को काफी कम कर सकती हैं। इस मुद्दे को कम करने के लिए, अनुसंधान टीम ने एक अर्ध-ठोस जेल इलेक्ट्रोलाइट बनाया।
यदि प्राप्त परिणामों को औद्योगिक पैमाने पर दोहराया जा सकता है, तो इस तकनीक में लिथियम आयन बैटरी के संबंध में उपलब्ध विकल्पों का विस्तार करने की क्षमता है, खासकर इलेक्ट्रिक वाहन क्षेत्र में। यह सोडियम की संभावित रूप से कम लागत और काफी कम चार्जिंग समय दोनों के कारण है।
धातु सोडियम की बैटरियों को मौजूदा प्रौद्योगिकियों के लिए एक बहुत ही आशाजनक विकल्प माना जाता है, क्योंकि वे लिथियम की तुलना में अधिक सुलभ और कम लागत वाली सामग्री का उपयोग करती हैं। इसके अतिरिक्त, विशेषज्ञ बताते हैं कि इस बैटरी मॉडल में पारंपरिक लिथियम-आयन आधारित प्रणालियों की तुलना में आग लगने का जोखिम कम होता है।
ऐतिहासिक रूप से, इन बैटरियों के वाणिज्यिक विकास को एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ा है: चार्जिंग चक्रों के दौरान, सोडियम परमाणु धातु एनोड पर जमा होने लगते हैं, जिससे तथाकथित डेंड्राइट बनते हैं। समय के साथ, ये संरचनाएं आंतरिक इलेक्ट्रोड के बीच संपर्क बनाने तक बढ़ती हैं, जिसके परिणामस्वरूप शॉर्ट सर्किट और बैटरी का बेकार होना होता है।
इस चुनौती से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने Sn-FB QSE नामक एक लगभग ठोस इलेक्ट्रोलाइट बनाया। अध्ययन के अनुसार, यह सामग्री एक अधिक लचीली आंतरिक वास्तुकला स्थापित करती है, बैटरी के उपयोग के दौरान स्वाभाविक रूप से बनने वाली सुरक्षात्मक परत में दरारों को कम करती है और डेंड्राइट के प्रकट होने को मुश्किल बनाती है।
प्रयोगशाला में किए गए परीक्षणों से पता चला कि बैटरी ने ऐसी संरचनाओं के कारण शॉर्ट सर्किट के बिना छह हजार घंटे से अधिक के चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों तक काम किया। एक अन्य परीक्षण में, डिवाइस को चार मिनट में पूरी तरह से चार्ज किया गया, जिसमें प्रति ग्राम 80.1 मिलीएम्पीयर-घंटा की विशिष्ट क्षमता थी।
लेखकों द्वारा प्रस्तुत डेटा से पता चलता है कि जब रीचार्ज अवधि को बीस मिनट तक बढ़ाया गया, तो बैटरी ने दो हजार पूर्ण चक्रों के बाद अपनी क्षमता का लगभग 90% बनाए रखा। यह प्रदर्शन लिथियम-आयन बैटरी से सैद्धांतिक रूप से अपेक्षित के करीब है, लेकिन तेज चार्जिंग प्रक्रिया का स्पष्ट लाभ है।
रीचार्ज की गति इलेक्ट्रिक वाहनों के विस्तार के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। जबकि कुछ वर्तमान मॉडल पहले से ही तेज़ चार्जिंग प्रदान करते हैं, उन्हें उच्च शक्ति वाले बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, अधिकांश इलेक्ट्रिक कारों को अभी भी काफी लंबे चार्जिंग अंतराल की आवश्यकता होती है। शोधकर्ता यह भी बताते हैं कि लिथियम और कोबाल्ट जैसी कच्चे माल पर निर्भरता के कारण लिथियम-आयन बैटरी स्मार्टफोन, कंप्यूटर और इलेक्ट्रिक वाहनों में प्रमुख बनी हुई हैं, जिनकी खरीद अधिक महंगी है। इसके अलावा, इस प्रकार की बैटरी थर्मल रनअवे की घटना के प्रति अधिक संवेदनशील होती है, जिससे क्षति की स्थिति में आग लग सकती है।
धातु सोडियम की बैटरियां पारंपरिक सोडियम बैटरियों और लिथियम-आयन बैटरियों के सकारात्मक गुणों को संयोजित करने का लक्ष्य रखती हैं। ग्रेफाइट या कठोर कार्बन के बजाय एनोड में धातु सोडियम का उपयोग करके, वे सोडियम आयन के प्रबंधन से जुड़े सुरक्षा स्तरों को बनाए रखते हुए कम वजन और कम लागत प्रदान कर सकती हैं। हालांकि, शोध इस बात पर जोर देता है कि प्रौद्योगिकी के वाणिज्यिक कार्यान्वयन से पहले महत्वपूर्ण चुनौतियां बनी हुई हैं। वैज्ञानिकों का कहना है कि प्रयोगों की पुनरुत्पादन क्षमता की पुष्टि करना और विभिन्न तापमानों के तहत उनके प्रदर्शन का मूल्यांकन करना आवश्यक है, जो ऑटोमोबाइल और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण शर्त है।
मिचीगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रिक वाहनों की बैटरी के प्रबंधन को अनुकूलित करने के लिए एक नई कार्यप्रणाली विकसित की है। जर्नल जूल में प्रकाशित इस अध्ययन में सिलिकॉन और ग्रेफाइट के संयोजन का उपयोग करने वाली लिथियम बैटरियों पर ध्यान केंद्रित किया गया है, जिसका उद्देश्य गतिशील थर्मल समायोजन के माध्यम से उनके जीवनकाल को बढ़ाना है।
प्रस्तावित प्रणाली वाहन में ही एकीकृत होती है और उपयोग के दौरान स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होने वाले चार्ज डेटा का विश्लेषण करने की क्षमता रखती है। इस जानकारी के आधार पर, यह सटीक रूप से उन क्षणों की पहचान कर पाती है जब बैटरी कोशिकाओं में सिलिकॉन घिसाव के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होता है। यह रीडिंग लेने पर, प्रणाली गतिशील रूप से हस्तक्षेप करती है, आंतरिक घटकों के व्यवहार के अनुसार बैटरी के तापमान को नियंत्रित करती है, सक्रिय सामग्री के आधार पर इकाई को गर्म या ठंडा करती है, जिससे समय के साथ घिसाव कम होता है।
इस परियोजना को जनरल मोटर्स और इंपीरियल कॉलेज लंदन का समर्थन प्राप्त हुआ है, साथ ही नेशनल साइंस फाउंडेशन से भी वित्त पोषण मिला है। परिणाम इलेक्ट्रिक कारों में उपयोग की जाने वाली बैटरियों की टिकाऊपन में महत्वपूर्ण वृद्धि की संभावना दर्शाते हैं।
यह शोध इस तथ्य पर आधारित है कि आधुनिक बैटरियां ग्रेफाइट और सिलिकॉन को जोड़ती हैं, जिसमें दूसरा लिथियम का लगभग दस गुना अधिक भंडारण करने में सक्षम सामग्री है। हालांकि, सिलिकॉन चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रियाओं के दौरान अधिक नाजुक होता है। जांच के प्रभारी पीएचडी छात्रा झिवेन वान ने जोर देकर कहा कि प्रगति सामग्री और परिचालन नियंत्रण के संयोजन पर निर्भर करती है, यह कहते हुए कि उन्नत सामग्री तभी अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुंचेगी जब उन्हें वास्तविक उत्पादों में एकीकृत होने के बाद बुद्धिमानी से प्रबंधित किया जाएगा।
जांच में पता चला कि सिलिकॉन का क्रिया बिंदु स्थिर नहीं है; यह इस बात पर निर्भर करता है कि वाहन का उपयोग कैसे किया जाता है, जो चार्ज स्तर के 33% से 73% के बीच भिन्न हो सकता है, जो प्रबंधन की आदर्श रणनीति को बदल देता है। सह-लेखक सीनियर अन्ना स्टेफानोपूलू ने स्पष्ट किया कि वर्तमान प्रणालियाँ अक्सर निश्चित मापदंडों के साथ संचालित होती हैं, लेकिन उनका काम सक्रिय निदान वाले प्रबंधन प्रणालियों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।
परीक्षणों ने यह भी प्रदर्शित किया कि सिलिकॉन पूर्ण चार्ज चक्रों में 300% तक विस्तार कर सकता है, जिससे समय के साथ दरारें बनती हैं और सक्रिय सामग्री का नुकसान होता है। इसके अलावा, वैज्ञानिकों ने देखा कि तापमान उम्र बढ़ने को अलग-अलग तरीकों से प्रभावित करता है: गर्मी सक्रिय उपयोग के दौरान प्रदर्शन में सहायता करती है, जबकि आराम की स्थिति में उच्च तापमान आंतरिक क्षरण को तेज करते हैं। शामिल इंजीनियर जेसन सीगल ने चयनात्मक नियंत्रण के महत्व पर जोर दिया, क्योंकि तापमान को लक्षित तरीके से लागू किया जाना चाहिए।
सुझाए गए तंत्र का उपयोग सिलिकॉन के सबसे अधिक सक्रिय होने पर बैटरी को गर्म करने और जब ग्रेफाइट हावी होता है या जब कार पार्क की जाती है तो उसे ठंडा करने के लिए किया जाता है। यह रणनीति विशेष रूप से धीमी गति से रिचार्ज की स्थितियों तक सीमित है, जैसे कि घरेलू सॉकेट या कम क्षमता वाले सार्वजनिक बिंदुओं पर की गई रिचार्जिंग।
