सुरक्षित और शक्तिशाली बैटरियों के उत्पादन के लिए नैनोवायरों का उपयोग

अध्ययन ने बैटरी बनाने का एक तरीका खोजा है जिसका उपयोग हम हर दिन अधिक लचीला, शक्तिशाली और सुरक्षित बनाने के लिए करते हैं।

वर्ष 2018 है और हमारा रोजमर्रा का जीवन अब अलग-अलग गैजेट्स द्वारा संचालित होता है जो या तो चलते हैं बिजली या बैटरी पर. बैटरी से चलने वाले गैजेट और उपकरणों पर हमारी निर्भरता अभूतपूर्व रूप से बढ़ रही है। ए बैटरी एक उपकरण है जो रासायनिक ऊर्जा को संग्रहीत करता है जो बिजली में परिवर्तित हो जाती है। बैटरियां छोटे रासायनिक रिएक्टरों की तरह होती हैं जिनकी प्रतिक्रिया से ऊर्जा से भरे इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं जो बाहरी उपकरण के माध्यम से प्रवाहित होते हैं। चाहे इसके सेल फोन हों या लैपटॉप या अन्य इलेक्ट्रिक वाहन, बैटरी - आम तौर पर लिथियम-आयन - इन प्रौद्योगिकियों के लिए मुख्य शक्ति स्रोत है। जैसे-जैसे तकनीक आगे बढ़ रही है, अधिक कॉम्पैक्ट, उच्च क्षमता और सुरक्षित रिचार्जेबल बैटरियों की लगातार मांग बढ़ रही है।

बैटरियों का एक लंबा और गौरवशाली इतिहास है। अमेरिकी वैज्ञानिक बेंजामिन फ्रैंकलिन ने पहली बार "बैटरी" शब्द का इस्तेमाल 1749 में लिंक्ड कैपेसिटर के एक सेट का उपयोग करके बिजली के साथ प्रयोग करते समय किया था। इतालवी भौतिक विज्ञानी एलेसेंड्रो वोल्टा ने 1800 में पहली बैटरी का आविष्कार किया जब तांबे (Cu) और जस्ता (Zn) की डिस्क को नमकीन पानी में भिगोए हुए कपड़े से अलग किया गया। लेड-एसिड बैटरी, सबसे स्थायी और सबसे पुरानी रिचार्जेबल बैटरी में से एक का आविष्कार 1859 में किया गया था और आज भी कई उपकरणों में इसका उपयोग किया जाता है, जिसमें वाहनों में आंतरिक दहन इंजन भी शामिल है।

बैटरियों ने एक लंबा सफर तय किया है और आज वे बड़े मेगावाट आकार से कई आकारों में आती हैं, इसलिए सैद्धांतिक रूप से वे सौर खेतों से बिजली स्टोर करने और मिनी शहरों को प्रकाश देने में सक्षम हैं या वे इलेक्ट्रॉनिक घड़ियों में उपयोग किए जाने वाले छोटे हो सकते हैं , अद्भुत है ना। प्राथमिक बैटरी कहलाती है, प्रतिक्रिया जो इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को उत्पन्न करती है वह अपरिवर्तनीय है और अंततः जब इसके एक अभिकारक का उपभोग किया जाता है तो बैटरी सपाट हो जाती है या मर जाती है। सबसे आम प्राथमिक बैटरी जिंक-कार्बन बैटरी है। ये प्राथमिक बैटरियां एक बड़ी समस्या थीं और ऐसी बैटरियों के निपटान से निपटने का एकमात्र तरीका एक ऐसा तरीका खोजना था जिसमें उनका पुन: उपयोग किया जा सके - जिसका अर्थ है उन्हें रिचार्जेबल बनाना। बैटरियों को नए से बदलना स्पष्ट रूप से अव्यावहारिक था और इस प्रकार जैसे-जैसे बैटरी अधिक होती गई शक्तिशाली और बड़ा यह असंभव हो गया कि उन्हें बदलने और उनका निपटान करने के लिए काफी महंगा नहीं है।

निकेल-कैडमियम बैटरी (NiCd) पहली लोकप्रिय रिचार्जेबल बैटरी थी जो इलेक्ट्रोलाइट के रूप में क्षार का उपयोग करती थी। 1989 में निकेल-मेटल हाइड्रोजन बैटरियां (NiMH) विकसित की गईं, जिनका जीवनकाल NiCd बैटरियों से अधिक था। हालाँकि, उनमें कुछ कमियाँ थीं, मुख्य रूप से वे ओवरचार्जिंग और ओवरहीटिंग के प्रति बहुत संवेदनशील थे, खासकर जब उन्हें उनकी अधिकतम दर पर चार्ज किया जाता था। इसलिए, किसी भी क्षति से बचने के लिए उन्हें धीरे-धीरे और सावधानी से चार्ज करना पड़ता था और सरल चार्जर से चार्ज होने में अधिक समय लगता था।

1980 में आविष्कार की गई, लिथियम-आयन बैटरी (LIB) उपभोक्ताओं द्वारा सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली बैटरी हैं इलेक्ट्रॉनिक उपकरण आज. लिथियम सबसे हल्के तत्वों में से एक है और इसमें सबसे बड़ी विद्युत रासायनिक क्षमता है, इसलिए यह संयोजन बैटरी बनाने के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है। एलआईबी में, लिथियम आयन एक इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से विभिन्न इलेक्ट्रोडों के बीच चलते हैं जो नमक से बना होता है जैविक सॉल्वैंट्स (अधिकांश पारंपरिक एलआईबी में)। सैद्धांतिक रूप से, लिथियम धातु सबसे अधिक विद्युतीय रूप से सकारात्मक धातु है जिसकी क्षमता बहुत अधिक है और बैटरी के लिए यह सर्वोत्तम संभव विकल्प है। जब एलआईबी को रिचार्ज किया जा रहा होता है, तो सकारात्मक रूप से चार्ज किया गया लिथियम आयन लिथियम धातु बन जाता है। इस प्रकार, एलआईबी अपने लंबे जीवन और उच्च क्षमता के कारण सभी प्रकार के पोर्टेबल उपकरणों में उपयोग के लिए सबसे लोकप्रिय रिचार्जेबल बैटरी हैं। हालाँकि, एक बड़ी समस्या यह है कि इलेक्ट्रोलाइट आसानी से वाष्पित हो सकता है, जिससे बैटरी में शॉर्ट-सर्किट हो सकता है और इससे आग लगने का खतरा हो सकता है। व्यवहार में, एलआईबी वास्तव में अस्थिर और अकुशल हैं क्योंकि समय के साथ लिथियम डिस्पोजल गैर-समान हो जाते हैं। एलआईबी में चार्ज और डिस्चार्ज दर भी कम होती है और सुरक्षा संबंधी चिंताएं उन्हें कई उच्च शक्ति और उच्च क्षमता वाली मशीनों, उदाहरण के लिए इलेक्ट्रिक और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए अव्यवहार्य बनाती हैं। एलआईबी को बहुत ही कम अवसरों पर अच्छी क्षमता और प्रतिधारण दर प्रदर्शित करने की सूचना मिली है।

इस प्रकार, बैटरियों की दुनिया में सब कुछ सही नहीं है क्योंकि हाल के वर्षों में बहुत सारी बैटरियों को असुरक्षित के रूप में चिह्नित किया गया है क्योंकि वे आग पकड़ती हैं, अविश्वसनीय और कभी-कभी अक्षम होती हैं। दुनिया भर के वैज्ञानिक ऐसी बैटरी बनाने की तलाश में हैं जो छोटी, सुरक्षित रूप से रिचार्जेबल, हल्की, अधिक लचीली और साथ ही अधिक शक्तिशाली हो। इसलिए, संभावित विकल्प के रूप में सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स पर ध्यान केंद्रित किया गया है। इसे लक्ष्य के रूप में रखते हुए वैज्ञानिकों द्वारा कई विकल्पों का प्रयास किया गया है, लेकिन स्थिरता और मापनीयता अधिकांश अध्ययनों में बाधा रही है। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स ने बड़ी क्षमता दिखाई है क्योंकि वे न केवल स्थिर हैं बल्कि लचीले और सस्ते भी हैं। दुर्भाग्य से, ऐसे बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ मुख्य मुद्दा उनकी खराब चालकता और यांत्रिक गुण हैं।

एसीएस . में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में नैनो पत्र, शोधकर्ताओं दिखाया गया है कि बैटरी में नैनोवायर जोड़कर उसकी सुरक्षा और यहां तक ​​कि कई अन्य गुणों को बढ़ाया जा सकता है, जिससे बैटरी बेहतर बन जाती है। कॉलेज ऑफ मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग, झेजियांग यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी, चीन के शोधकर्ताओं की इस टीम ने अपने पिछले शोध को आगे बढ़ाया है जहां उन्होंने मैग्नीशियम बोरेट नैनोवायर बनाए थे जो अच्छे यांत्रिक गुणों और चालकता का प्रदर्शन करते थे। वर्तमान अध्ययन में उन्होंने जाँच की कि क्या यह बैटरियों के लिए भी सच होगा नैनोवायर्स एक ठोस अवस्था बहुलक इलेक्ट्रोलाइट में जोड़ा जाता है। सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट को मैग्नीशियम बोरेट नैनोवायर के 5, 10, 15 और 20 वजन के साथ मिलाया गया था। यह देखा गया कि नैनोवायरों ने सॉलिड-स्टेट पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट की चालकता में वृद्धि की, जिसने नैनोवायरों के बिना पहले की तुलना में बैटरी को अधिक मजबूत और लचीला बना दिया। चालकता में यह वृद्धि इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से गुजरने और आगे बढ़ने वाले आयनों की संख्या में वृद्धि और बहुत तेज दर से हुई थी। पूरा सेट अप बैटरी की तरह था लेकिन अतिरिक्त नैनोवायर के साथ। इसने सामान्य बैटरियों की तुलना में प्रदर्शन की उच्च दर और बढ़े हुए चक्रों को दिखाया। ज्वलनशीलता का एक महत्वपूर्ण परीक्षण भी किया गया और यह देखा गया कि बैटरी नहीं जली। आज के मोबाइल फोन और लैपटॉप जैसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले पोर्टेबल अनुप्रयोगों को अधिकतम और सबसे कॉम्पैक्ट संग्रहीत ऊर्जा के साथ अपग्रेड करने की आवश्यकता है। यह स्पष्ट रूप से हिंसक निर्वहन के जोखिम को बढ़ाता है और बैटरी के छोटे प्रारूप की आवश्यकता के कारण ऐसे उपकरणों के लिए प्रबंधनीय है। लेकिन जैसे-जैसे बैटरियों के बड़े अनुप्रयोगों को डिज़ाइन और परीक्षण किया जाता है, सुरक्षा, स्थायित्व और शक्ति सर्वोच्च महत्व रखती है।

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स्रोत (रों)

शेंग ओ एट अल। 2018 Mg2B2O5 नैनोवायर ने उच्च आयनिक चालकता, उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों और ज्वाला-प्रतिरोधी प्रदर्शन के साथ बहुक्रियाशील ठोस-राज्य इलेक्ट्रोलाइट्स को सक्षम किया। नैनो पत्र। https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659