बैटरी प्रौद्योगिकी पर सिलिकॉन एनोड पेशी

सिलिकॉन डिजिटल क्रांति का एक प्रमुख हिस्सा है, जो एक ऐसे उपकरण पर सिग्नलों के भार को दूर करता है जो' इसी क्षण आपकी आंखों से कुछ ही इंच की दूरी पर होने की संभावना है।

अब, वही भरपूर, सस्ती सामग्री बढ़ते बैटरी व्यवसाय में एक बड़ी भूमिका के लिए एक गंभीर उम्मीदवार बन रही है। यह [जीजी] #39; विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि यह [जीजी] #39; व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट की तुलना में बैटरी के एक महत्वपूर्ण हिस्से, एनोड में 10 गुना अधिक ऊर्जा धारण करने में सक्षम है।

लेकिन इतनी जल्दी नहीं। जबकि वैज्ञानिकों के बीच सिलिकॉन की एक प्रफुल्लित प्रतिष्ठा है, जब यह' बैटरी का हिस्सा होता है, तो सामग्री स्वयं सूज जाती है। यह इतना सूज जाता है कि एनोड फ्लेक्स और क्रैक हो जाता है, जिससे बैटरी चार्ज करने की क्षमता खो देती है और अंततः विफल हो जाती है।

अब वैज्ञानिकों ने पहली बार इस प्रक्रिया को देखा है, जो सिलिकॉन को एक व्यवहार्य विकल्प बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है जो इलेक्ट्रिक वाहनों के साथ-साथ सेल फोन, लैपटॉप, स्मार्ट घड़ियों और अन्य गैजेट्स के लिए बैटरी की लागत, प्रदर्शन और चार्जिंग गति में सुधार कर सकता है।

[जीजी] quot;कई लोगों ने कल्पना की है कि क्या हो सकता है लेकिन किसी ने वास्तव में इसे पहले प्रदर्शित नहीं किया था, [जीजी] quot; ऊर्जा विभाग' के पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिक चोंगमिन वांग ने कहा। वांग हाल ही में प्रकाशित पेपर के संबंधित लेखक हैंप्रकृति नैनो प्रौद्योगिकी।

सिलिकॉन एनोड्स, पीनट बटर कप और पैक्ड एयरलाइन यात्रियों में से

लिथियम आयन लिथियम आयन बैटरी में ऊर्जा मुद्रा है, जो इलेक्ट्रोलाइट नामक तरल के माध्यम से दो इलेक्ट्रोड के बीच आगे और पीछे यात्रा करती है। जब लिथियम आयन सिलिकॉन से बने एक एनोड में प्रवेश करते हैं, तो वे व्यवस्थित संरचना में अपना रास्ता बनाते हैं, सिलिकॉन परमाणुओं को तिरछा धकेलते हैं, जैसे एक स्टाउट एयरलाइन यात्री एक भरी हुई उड़ान में बीच की सीट में निचोड़ता है। यह [जीजी] उद्धरण; लिथियम निचोड़ [जीजी] उद्धरण; एनोड को उसके मूल आकार से तीन या चार गुना तक प्रफुल्लित करता है।

जब लिथियम आयन निकल जाते हैं, तो चीजें' सामान्य नहीं हो जातीं। रिक्त स्थान जिन्हें रिक्तियों के रूप में जाना जाता है, रहते हैं। विस्थापित सिलिकॉन परमाणु कई, लेकिन सभी नहीं, रिक्तियों को भरते हैं, जैसे यात्री जल्दी से खाली जगह वापस ले लेते हैं जब मध्य यात्री रेस्टरूम के लिए जाता है। लेकिन लिथियम आयन वापस लौटते हैं, फिर से अपना रास्ता बनाते हैं। प्रक्रिया दोहराती है क्योंकि लिथियम आयन एनोड और कैथोड के बीच आगे और पीछे स्कूटर करते हैं, और सिलिकॉन एनोड में खाली स्थान रिक्त स्थान या अंतराल बनाने के लिए विलीन हो जाते हैं। ये अंतराल बैटरी की विफलता में अनुवाद करते हैं।

वैज्ञानिकों ने इस प्रक्रिया के बारे में वर्षों से जाना है, लेकिन उन्होंने' पहले यह ठीक से नहीं देखा था कि इसका परिणाम बैटरी की विफलता कैसे होता है। कुछ ने विफलता को सिलिकॉन और लिथियम के नुकसान के लिए जिम्मेदार ठहराया है। दूसरों ने ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरपेज़ या एसईआई के रूप में जाने जाने वाले एक प्रमुख घटक के मोटे होने को दोषी ठहराया है। एसईआई एनोड के किनारे पर एक नाजुक संरचना है जो एनोड और तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच एक महत्वपूर्ण प्रवेश द्वार है।

अपने प्रयोगों में, टीम ने देखा कि सिलिकॉन एनोड में लिथियम आयनों द्वारा छोड़ी गई रिक्तियां बड़े और बड़े अंतराल में विकसित हुई हैं। फिर उन्होंने देखा कि तरल इलेक्ट्रोलाइट एक तटरेखा के साथ छोटे नालों की तरह अंतराल में प्रवाहित होता है, सिलिकॉन में घुसपैठ करता है। इस प्रवाह ने एसईआई को सिलिकॉन के भीतर के क्षेत्रों में विकसित करने की अनुमति दी जहां इसे [जीजी] # 39; नहीं होना चाहिए, बैटरी के एक हिस्से में एक आणविक आक्रमणकारी जहां यह [जीजी] # 39; नहीं है।

इसने मृत क्षेत्र बनाए, लिथियम को स्टोर करने और एनोड को बर्बाद करने के लिए सिलिकॉन की क्षमता को नष्ट कर दिया।

प्राचीन आकार में पीनट बटर कप के बारे में सोचें: बाहर की चॉकलेट अंदर के नरम पीनट बटर से अलग है। लेकिन अगर आप इसे बहुत लंबे समय तक अपने हाथ में पकड़कर पकड़ते हैं, तो बाहरी आवरण नरम हो जाता है और अंदर की नरम चॉकलेट के साथ मिल जाता है। आप [जीजी] # 39; एक एकल अव्यवस्थित द्रव्यमान के साथ छोड़ दिया जाता है जिसकी संरचना अपरिवर्तनीय रूप से बदल जाती है। अब आपके पास असली पीनट बटर कप नहीं है। इसी तरह, इलेक्ट्रोलाइट और एसईआई के सिलिकॉन में घुसपैठ करने के बाद, वैज्ञानिकों के पास अब काम करने योग्य एनोड नहीं है।

टीम ने देखा कि यह प्रक्रिया सिर्फ एक बैटरी चक्र के तुरंत बाद शुरू होती है। 36 चक्रों के बाद, बैटरी' की चार्ज धारण करने की क्षमता नाटकीय रूप से गिर गई थी। 100 चक्रों के बाद, एनोड बर्बाद हो गया था।

सिलिकॉन एनोड के वादे की खोज

वैज्ञानिक सिलिकॉन को इलेक्ट्रोलाइट से बचाने के तरीकों पर काम कर रहे हैं। पीएनएनएल के वैज्ञानिकों सहित कई समूह, गेटकीपर के रूप में कार्य करने के लिए डिज़ाइन किए गए कोटिंग्स विकसित कर रहे हैं, जिससे लिथियम आयनों को इलेक्ट्रोलाइट के अन्य घटकों को रोकते हुए एनोड में और बाहर जाने की अनुमति मिलती है।

कई संस्थानों के वैज्ञानिकों ने काम करने के लिए अपनी विशेषज्ञता जुटाई। लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों ने अध्ययन में इस्तेमाल किए गए सिलिकॉन नैनोवायर बनाए। पीएनएनएल के वैज्ञानिकों ने थर्मो फिशर साइंटिफिक के समकक्षों के साथ मिलकर क्रायोजेनिक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप को संशोधित किया ताकि इमेजिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रॉनों से होने वाले नुकसान को कम किया जा सके। और पेन स्टेट यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने तरल और सिलिकॉन के बीच आणविक क्रिया को अनुकरण करने के लिए एक एल्गोरिदम विकसित किया।

कुल मिलाकर, टीम ने प्रक्रिया की अल्ट्रा-हाई-रिज़ॉल्यूशन छवियां बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों का उपयोग किया और फिर छवियों को 3D में फिर से बनाया, ठीक उसी तरह जैसे चिकित्सक किसी रोगी' अंग या अंग की 3D छवि बनाते हैं।

[जीजी] quot;यह काम उच्च क्षमता वाली बैटरी के लिए एनोड के रूप में सिलिकॉन विकसित करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, [जीजी] उद्धरण; वांग ने कहा।

पीएनएनएल में, काम सिलिकॉन एनोड की खोज करने वाले एक व्यापक शोध कार्यक्रम का हिस्सा है, जिसमें कोटिंग्स जैसी मूल सामग्री, उपकरणों को बनाने के नए तरीके और बैटरी जीवन को बढ़ाने वाला एक नया इलेक्ट्रोलाइट शामिल है।

वांग के अलावा, पेपर के अन्य पीएनएनएल लेखकों में यांग हे, याओबिन जू, हैपिंग जिया, रैन यी, मियाओ सॉन्ग, ज़ियाओलिन ली (एक संबंधित लेखक भी) और जी-गुआंग (जेसन) झांग शामिल हैं।

कहानी स्रोत:

सामग्रीद्वारा उपलब्ध कराया गयाडीओई/पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी. टॉम रिकी द्वारा लिखित मूल।नोट: सामग्री को शैली और लंबाई के लिए संपादित किया जा सकता है।