यूएसटीसी ने लिथियम बैटरियों के लिए ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की अड़चन को दूर किया

21 अगस्त को, चीन के विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय (यूएसटीसी) के प्रो. एमए चेंग और उनके सहयोगियों ने इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क की समस्या के समाधान के लिए एक प्रभावी रणनीति प्रस्तावित की, जो अगली पीढ़ी की सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों के विकास में बाधा बन रही है। इस प्रकार निर्मित सॉलिड-सॉलिड कम्पोजिट इलेक्ट्रोड ने असाधारण क्षमता और गति प्रदर्शन प्रदर्शित किया।

पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों में कार्बनिक द्रव इलेक्ट्रोलाइट को ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स से बदलने से सुरक्षा संबंधी समस्याएँ काफी हद तक कम हो सकती हैं और ऊर्जा घनत्व में सुधार के लिए "ग्लास सीलिंग" को भी तोड़ा जा सकता है। हालाँकि, मुख्यधारा के इलेक्ट्रोड पदार्थ भी ठोस होते हैं। चूँकि दो ठोस पदार्थों के बीच संपर्क ठोस और द्रव पदार्थों के बीच जितना घनिष्ठ होना लगभग असंभव है, इसलिए वर्तमान में ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स पर आधारित बैटरियाँ आमतौर पर खराब इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क और असंतोषजनक पूर्ण-सेल प्रदर्शन प्रदर्शित करती हैं।

यूएसटीसी के प्रोफ़ेसर एम.ए. चेंग, जो इस अध्ययन के प्रमुख लेखक हैं, ने कहा, "सॉलिड-स्टेट बैटरियों का इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क मुद्दा कुछ हद तक लकड़ी के बैरल के सबसे छोटे डंडे जैसा है।" उन्होंने आगे कहा, "दरअसल, इन वर्षों में शोधकर्ताओं ने कई बेहतरीन इलेक्ट्रोड और सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित किए हैं, लेकिन उनके बीच खराब संपर्क अभी भी लिथियम-आयन परिवहन की दक्षता को सीमित कर रहा है।"

सौभाग्य से, एमए की रणनीति इस कठिन चुनौती का सामना कर सकती है। अध्ययन की शुरुआत एक प्रोटोटाइप, पेरोव्स्काइट-संरचित ठोस इलेक्ट्रोलाइट में अशुद्धता प्रावस्था के परमाणु-दर-परमाणु परीक्षण से हुई। हालाँकि अशुद्धता और ठोस इलेक्ट्रोलाइट के बीच क्रिस्टल संरचना में बहुत अंतर था, फिर भी यह देखा गया कि वे एपिटैक्सियल इंटरफेस बनाते हैं। विस्तृत संरचनात्मक और रासायनिक विश्लेषणों की एक श्रृंखला के बाद, शोधकर्ताओं ने पाया कि अशुद्धता प्रावस्था उच्च-क्षमता वाले लिथियम-समृद्ध स्तरित इलेक्ट्रोड के साथ समसंरचनात्मक है। दूसरे शब्दों में, एक प्रोटोटाइप ठोस इलेक्ट्रोलाइट एक उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रोड के परमाणु ढांचे द्वारा निर्मित "टेम्पलेट" पर क्रिस्टलीकृत हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप परमाणु रूप से घनिष्ठ इंटरफेस बनते हैं।

"यह वाकई आश्चर्यजनक है," प्रथम लेखक ली फ़ुझेन ने कहा, जो वर्तमान में यूएसटीसी के स्नातक छात्र हैं। "पदार्थ में अशुद्धियों की उपस्थिति वास्तव में एक बहुत ही सामान्य घटना है, इतनी सामान्य कि अधिकांशतः उन्हें अनदेखा कर दिया जाता है। हालाँकि, उनका बारीकी से अध्ययन करने पर, हमें इस अप्रत्याशित उपकला व्यवहार का पता चला, और इसने ठोस-ठोस संपर्क को बेहतर बनाने की हमारी रणनीति को सीधे तौर पर प्रेरित किया।"

आमतौर पर अपनाए जाने वाले कोल्ड-प्रेसिंग दृष्टिकोण की तुलना में, शोधकर्ताओं द्वारा प्रस्तावित रणनीति परमाणु स्तर पर ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स और इलेक्ट्रोड के बीच एक संपूर्ण, निर्बाध संपर्क को साकार कर सकती है, जैसा कि परमाणु-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवि में परिलक्षित होता है। (एमए की टीम द्वारा प्रदान किया गया।)

इस प्रेक्षित परिघटना का लाभ उठाते हुए, शोधकर्ताओं ने जानबूझकर एक लिथियम-समृद्ध स्तरित यौगिक की सतह पर पेरोव्स्काइट-संरचित ठोस विद्युत अपघट्य के समान संरचना वाले अनाकार चूर्ण को क्रिस्टलीकृत किया, और एक मिश्रित इलेक्ट्रोड में इन दोनों ठोस पदार्थों के बीच एक गहन, निर्बाध संपर्क सफलतापूर्वक स्थापित किया। इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क समस्या के समाधान के साथ, इस प्रकार के एक ठोस-ठोस मिश्रित इलेक्ट्रोड ने एक ठोस-द्रव मिश्रित इलेक्ट्रोड के बराबर दर क्षमता प्रदान की। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि इस प्रकार का उपकला ठोस-ठोस संपर्क बड़े जालक बेमेल को सहन कर सकता है, और इस प्रकार उनके द्वारा प्रस्तावित रणनीति कई अन्य पेरोव्स्काइट ठोस विद्युत अपघट्यों और स्तरित इलेक्ट्रोडों पर भी लागू हो सकती है।

एमए ने कहा, "इस शोध ने एक ऐसी दिशा की ओर इशारा किया है जिस पर काम करना ज़रूरी है। यहाँ उठाए गए सिद्धांत को अन्य महत्वपूर्ण पदार्थों पर लागू करने से कोशिकाओं का प्रदर्शन और भी बेहतर हो सकता है और विज्ञान और भी दिलचस्प हो सकता है। हम इसके लिए उत्सुक हैं।"

शोधकर्ता इस दिशा में अपना अन्वेषण जारी रखने का इरादा रखते हैं, तथा प्रस्तावित रणनीति को अन्य उच्च क्षमता, उच्च क्षमता वाले कैथोडों पर लागू करना चाहते हैं।

यह अध्ययन सेल प्रेस की प्रमुख पत्रिका मैटर में "लिथियम बैटरियों के लिए ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स और इलेक्ट्रोड्स के बीच परमाणु रूप से घनिष्ठ संपर्क" शीर्षक से प्रकाशित हुआ था। इसके प्रथम लेखक यूएसटीसी के स्नातक छात्र ली फुझेन हैं। प्रो. एमए चेंग के सहयोगियों में सिंघुआ विश्वविद्यालय के प्रो. नान सी-वेन और एम्स प्रयोगशाला के डॉ. झोउ लिन शामिल हैं।

(रसायन विज्ञान और पदार्थ विज्ञान विद्यालय)

पेपर लिंक: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3