जब चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लिथियम आयन बैटरी इलेक्ट्रोड के अंदर और बाहर प्रवाहित होते हैं, तो ऑक्सीजन का एक छोटा सा हिस्सा बाहर निकल जाता है और बैटरी's वोल्टेज - यह कितनी ऊर्जा प्रदान करती है - एक समान रूप से छोटा सा फीका पड़ जाता है। नुकसान समय के साथ बढ़ते हैं, और अंततः बैटरी' की ऊर्जा भंडारण क्षमता को 10-15% तक कम कर सकते हैं।
अब शोधकर्ताओं ने इस सुपर-धीमी प्रक्रिया को अभूतपूर्व विस्तार से मापा है, जिसमें दिखाया गया है कि कैसे ऑक्सीजन परमाणुओं से बचकर छोड़े गए छेद, या रिक्तियां इलेक्ट्रोड [जीजी] # 39; की संरचना और रसायन शास्त्र को बदल देती हैं और धीरे-धीरे कम कर देती हैं कि यह कितनी ऊर्जा स्टोर कर सकती है।
परिणाम वैज्ञानिकों ने इस प्रक्रिया के बारे में कुछ धारणाओं का खंडन किया है और इसे रोकने के लिए इंजीनियरिंग इलेक्ट्रोड के नए तरीकों का सुझाव दे सकते हैं।
ऊर्जा विभाग [जीजी] #39; एसएलएसी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी और स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी की शोध टीम ने आज नेचर एनर्जी में अपने काम का वर्णन किया।
[जीजी] quot;हम ऑक्सीजन की एक बहुत ही छोटी डिग्री को मापने में सक्षम थे, जो सैकड़ों चक्रों में, कभी इतनी धीमी गति से बाहर निकल रही थी, [जीजी] quot; स्टैनफोर्ड पीएचडी छात्र पीटर सेर्निका ने कहा, जिन्होंने एसोसिएट प्रोफेसर विल चुएह के प्रयोगों पर काम किया। [जीजी] quot;तथ्य यह है कि यह [जीजी] # ३९; इतना धीमा है कि इसका पता लगाना भी मुश्किल है। [जीजी] उद्धरण;
एक दो तरफा कमाल की कुर्सी
लिथियम-आयन बैटरी एक रॉकिंग चेयर की तरह काम करती हैं, लिथियम आयनों को दो इलेक्ट्रोड के बीच आगे-पीछे करती हैं जो अस्थायी रूप से चार्ज को स्टोर करते हैं। आदर्श रूप से, वे आयन ही अरबों नैनोकणों में और बाहर जाने वाली एकमात्र चीजें हैं जो प्रत्येक इलेक्ट्रोड को बनाते हैं। लेकिन शोधकर्ताओं ने कुछ समय के लिए जाना है कि लिथियम के आगे-पीछे होने पर ऑक्सीजन परमाणु कणों से बाहर निकलते हैं। विवरण को पिन करना कठिन है क्योंकि इन लीक से संकेत सीधे मापने के लिए बहुत छोटे हैं।
[जीजी] उद्धरण; बैटरी चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के ५०० से अधिक चक्रों में ऑक्सीजन रिसाव की कुल मात्रा ६% है, [जीजी] उद्धरण; सेर्निका ने कहा। [जीजी] quot;वह [जीजी] #39;इतनी छोटी संख्या नहीं है, लेकिन यदि आप प्रत्येक चक्र के दौरान निकलने वाली ऑक्सीजन की मात्रा को मापने की कोशिश करते हैं, तो यह [जीजी] #39; इसका लगभग एक सौवां हिस्सा है। एक प्रतिशत। [जीजी] उद्धरण;
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने रिसाव को अप्रत्यक्ष रूप से मापा, यह देखकर कि कैसे ऑक्सीजन की हानि कणों के रसायन और संरचना को संशोधित करती है। उन्होंने इस प्रक्रिया को कई लंबाई के पैमानों पर ट्रैक किया - सबसे नन्हे नैनोकणों से लेकर नैनोकणों के गुच्छों से लेकर इलेक्ट्रोड की पूरी मोटाई तक।
चूंकि यह [जीजी] # 39; तापमान पर ठोस पदार्थों में ऑक्सीजन परमाणुओं के चारों ओर घूमने के लिए इतना मुश्किल है जहां बैटरी संचालित होती है, पारंपरिक ज्ञान यह रहा है कि ऑक्सीजन लीक केवल नैनोकणों की सतहों से आती है, चुएह ने कहा, हालांकि यह है बहस के लिए गया है।
& #39; क्या हो रहा है, इस पर करीब से नज़र डालने के लिए, अनुसंधान दल ने अलग-अलग समय के लिए बैटरियों को साइकिल से चलाया, उन्हें अलग किया, और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी' में विस्तृत जांच के लिए इलेक्ट्रोड नैनोकणों को काट दिया; एस उन्नत प्रकाश स्रोत। वहां, एक विशेष एक्स-रे माइक्रोस्कोप ने नमूनों में स्कैन किया, उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियां बनाईं और प्रत्येक छोटे स्थान के रासायनिक मेकअप की जांच की। इस जानकारी को एक मीटर के अरबवें हिस्से में मापा गया नैनोस्केल विवरण प्रकट करने के लिए पाइकोग्राफी नामक एक कम्प्यूटेशनल तकनीक के साथ जोड़ा गया था।
इस बीच, एसएलएसी [जीजी] # 39; के स्टैनफोर्ड सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स में, टीम ने पूरे इलेक्ट्रोड के माध्यम से एक्स-रे को शूट किया ताकि यह पुष्टि हो सके कि वे नैनोस्केल स्तर पर जो देख रहे थे वह भी बड़े पैमाने पर सच था।
एक फट, फिर एक ट्रिकल
ऑक्सीजन की हानि कैसे हो सकती है, इसके कंप्यूटर मॉडल के साथ प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना करते हुए, टीम ने निष्कर्ष निकाला कि ऑक्सीजन का प्रारंभिक विस्फोट कणों की सतहों से निकल जाता है, इसके बाद इंटीरियर से बहुत धीमी गति से निकलता है। जहां नैनोकणों ने बड़े गुच्छों को बनाने के लिए एक साथ चमकते हुए, क्लंप के केंद्र के पास सतह के पास की तुलना में कम ऑक्सीजन खो दिया।
एक अन्य महत्वपूर्ण प्रश्न, चुएह ने कहा, ऑक्सीजन परमाणुओं का नुकसान उनके द्वारा छोड़ी गई सामग्री को कैसे प्रभावित करता है। [जीजी] उद्धरण;वह [जीजी] #39;वास्तव में एक बड़ा रहस्य है, [जीजी] उद्धरण; उसने कहा।"कल्पना कीजिए कि नैनोकणों में परमाणु एक-दूसरे से घिरे हुए गोले की तरह होते हैं। यदि आप ऑक्सीजन परमाणुओं को बाहर निकालते रहते हैं, तो पूरी चीज दुर्घटनाग्रस्त हो सकती है और घनीभूत हो सकती है, क्योंकि संरचना बारीकी से पैक रहना पसंद करती है। [जीजी] उद्धरण;
चूंकि इलेक्ट्रोड के इस पहलू [जीजी] # 39; की संरचना को सीधे चित्रित नहीं किया जा सकता था, वैज्ञानिकों ने फिर से विभिन्न ऑक्सीजन हानि परिदृश्यों के कंप्यूटर मॉडल के खिलाफ अन्य प्रकार के प्रयोगात्मक अवलोकनों की तुलना की। परिणामों ने संकेत दिया कि रिक्तियां बनी रहती हैं - सामग्री दुर्घटनाग्रस्त नहीं होती है और घनीभूत नहीं होती है - और सुझाव देती है कि वे बैटरी [जीजी] # 39; की क्रमिक गिरावट में कैसे योगदान करते हैं।
[जीजी] quot; जब ऑक्सीजन निकलती है, तो आसपास के मैंगनीज, निकल और कोबाल्ट परमाणु पलायन करते हैं। सभी परमाणु अपनी आदर्श स्थिति से बाहर नाच रहे हैं," चुह ने कहा। [जीजी] quot; धातु आयनों की यह पुनर्व्यवस्था, साथ में अनुपलब्ध ऑक्सीजन के कारण रासायनिक परिवर्तन, समय के साथ बैटरी की वोल्टेज और दक्षता को कम करता है। लोग इस घटना के पहलुओं को लंबे समय से जानते हैं, लेकिन तंत्र स्पष्ट नहीं था। [जीजी] उद्धरण;
अब, उन्होंने कहा, [जीजी] quot; हमारे पास यह वैज्ञानिक, बॉटम-अप समझ [जीजी] उद्धरण है; बैटरी खराब होने के इस महत्वपूर्ण स्रोत के कारण, जिससे ऑक्सीजन की हानि और इसके हानिकारक प्रभावों को कम करने के नए तरीके सामने आ सकते हैं।
