2023 लेखक: Bryan Walter | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-05-21 22:25
एनोड सतह की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि
अमेरिकी रसायनज्ञों ने एक बैटरी बनाई है जिसमें जिंक-मैंगनीज मिश्र धातु से बना एक नैनोसंरचित इलेक्ट्रोड एक एनोड की भूमिका निभाता है, और जस्ता और मैंगनीज सल्फेट के साथ समुद्री नमक का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है। डेंड्राइट बनाए बिना बैटरी 100 घंटे की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग परीक्षणों का सामना करती है और यांत्रिक रूप से स्थिर भी होती है। यह शोध नेचर कम्युनिकेशंस जर्नल में प्रकाशित हुआ है।
आज के अधिकांश पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण लिथियम-आयन बैटरी पर चलते हैं। हालांकि, लिथियम और इलेक्ट्रोलाइट्स की विषाक्तता के कारण उनका निपटान मुश्किल है। कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स के विकल्प के रूप में, कुछ वैज्ञानिक खनिज लवणों के जलीय घोल का उपयोग करने का सुझाव देते हैं। ऐसी बैटरियां ज्वलनशील और पर्यावरण के अनुकूल होती हैं। और जब इलेक्ट्रोड को प्रकृति में सामान्य तत्वों, जैसे ऑक्सीजन या सल्फर के साथ संशोधित किया जाता है, तो वे अत्यधिक ऊर्जा-गहन (500 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम तक) बन जाते हैं, जो इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उनके आवेदन के दायरे का विस्तार करता है।
हालांकि, कई चार्जिंग-डिस्चार्जिंग चक्रों के दौरान, ऐसी बैटरियों के एनोड से डेंड्राइट बढ़ सकते हैं, जो बैटरी की दक्षता को कम करते हैं, और कैथोड तक पहुंचने पर, वे शॉर्ट सर्किट की ओर ले जाते हैं। नए एनोड और जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित करके इस समस्या का समाधान किया जाता है; हालांकि, यह क्षेत्र अभी भी अविकसित है, और आर्थिक रूप से ऐसी बैटरी अभी भी लाभहीन हैं।
सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय में हुआजुन तियान और उनके सहयोगियों ने द्विधात्वीय जस्ता-संक्रमण धातु मिश्र धातुओं और समुद्री जल इलेक्ट्रोलाइट से बनी एक नैनोस्ट्रक्चर्ड एनोड बैटरी विकसित की है। लेखकों ने सुझाव दिया कि एनोड पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के कैनेटीक्स और थर्मोडायनामिक्स के नियंत्रण से डेंड्राइट गठन की प्रक्रिया को कम करने और दबाने में मदद मिलेगी। Zn3Mn मिश्र धातु में जस्ता के प्रसार पर निर्भर थर्मोडायनामिक्स: मिश्र धातु की सतह पर अपेक्षाकृत उच्च बाध्यकारी ऊर्जा ने जस्ता क्रिस्टल को समान रूप से व्यवस्थित करने में मदद की, निर्देशित डेंड्राइट्स के गठन को रोका। प्रतिक्रिया के कैनेटीक्स इलेक्ट्रोड के त्रि-आयामी नैनोस्ट्रक्चर पर निर्भर थे: झरझरा त्रि-आयामी नैनोस्ट्रक्चर के माध्यम से प्रसार सतह पर जमाव की तुलना में जस्ता आयनों के लिए अधिक बेहतर था।
जिंक क्रिस्टल के निर्माण और विकास में मिश्र धातु चरण की भूमिका का मूल्यांकन करने के लिए शोधकर्ताओं ने क्वांटम रासायनिक गणना की। यह पता चला है कि जस्ता और मिश्र धातु के बीच की बातचीत इतनी अधिक है कि यह मिश्र धातु के चरण को जस्ता के जमाव के लिए एक आदर्श मैट्रिक्स बनाता है।
जिंक एनोड (शीर्ष) और एक नैनोस्ट्रक्चर्ड जिंक-मैंगनीज मिश्र धातु एनोड (नीचे) पर जिंक की कमी का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व
एनोड विद्युत रासायनिक निक्षेपण द्वारा प्राप्त किया गया था, जिसका उपयोग विभिन्न धातुओं, वर्तमान और इसके प्रवाह के समय से विभिन्न रचनाओं के मिश्र धातुओं को प्राप्त करने के लिए भी किया जा सकता है। लेखकों ने ऊर्जा फैलाव स्पेक्ट्रोस्कोपी, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी, और एक्स-रे डिफ्रेक्टोमेट्री द्वारा प्राप्त एनोड की संरचना और संरचना का अध्ययन किया।
प्राप्त माइक्रोग्राफ के आधार पर, लेखकों ने सुझाव दिया कि इलेक्ट्रोडपोजिशन में मैंगनीज और जस्ता आयनों के साथ-साथ पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान हाइड्रोजन बुलबुले का निर्माण और वृद्धि शामिल है, जो एक झरझरा त्रि-आयामी संरचना के निर्माण में योगदान करते हैं। त्रि-आयामी माइक्रोस्ट्रक्चर एक फूलगोभी जैसा दिखता है, जो लेखकों के अनुसार, सतह पर सूक्ष्म और नैनोपोर्स दोनों की उपस्थिति को इंगित करता है। मिश्र धातु की असामान्य संरचना ने जस्ता आयनों के तेजी से प्रसार को एनोड में गहराई से सुनिश्चित किया।
एनोड की अस्थिरता का परीक्षण करने के लिए, लेखकों ने सतह पर एक पानी की बूंद के संपर्क कोण को मापा, और पाया कि सामग्री ने सुपरहाइड्रोफिलिक गुणों का प्रदर्शन किया।
प्राप्त एनोड की व्यावहारिक प्रयोज्यता का मूल्यांकन करने के लिए, लेखकों ने जस्ता और मैंगनीज सल्फेट्स के साथ-साथ प्लैटिनम, ग्रेफाइट और रूथेनियम ऑक्साइड के व्यावसायिक रूप से उपलब्ध कैथोड के साथ समुद्री नमक के जलीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ एक बैटरी को इकट्ठा किया। बैटरी दस मिलीमीटर प्रति वर्ग सेंटीमीटर के वर्तमान घनत्व पर विनाश के बिना 100 घंटे तक चार्जिंग और डिस्चार्जिंग चक्र का सामना करती है। इसकी तुलना में, शुद्ध जिंक एनोड वाला एक समान सिस्टम 48 घंटों के परीक्षण के बाद काम करने में विफल रहा। वर्तमान घनत्व में तीन गुना वृद्धि के साथ, नैनोसंरचित जस्ता-मैंगनीज मिश्र धातु एनोड वाली बैटरी लगभग 800 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम जस्ता के घनत्व के साथ ऊर्जा जारी करने में सक्षम थी।
जिंक-मैंगनीज एनोड वाली दो बैटरियां एक छोटे इलेक्ट्रिक प्रोपेलर को गति देने में सक्षम थीं
80 मेगापास्कल के अपरिवर्तित दबाव के बावजूद एनोड यांत्रिक रूप से स्थिर भी साबित हुआ। 160 और 200 मेगापास्कल के उच्च दबाव ने सामग्री की केवल ऊपरी परतों को संकुचित कर दिया।
लेखकों के अनुसार, नैनोस्ट्रक्चर्ड एनोड के उत्पादन और अध्ययन के लिए प्रस्तावित विधि जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स वाली बैटरी के लिए टिकाऊ इलेक्ट्रोड के विकास को आगे बढ़ाएगी।
लिथियम-आयन बैटरी निस्संदेह एक महत्वपूर्ण आविष्कार है: आधुनिक स्मार्टफोन, लैपटॉप, इलेक्ट्रिक वाहन और यहां तक कि आंशिक रूप से अंतरिक्ष यान भी उनके द्वारा संचालित होते हैं। पिछले साल से एक साल पहले, जॉन गुडइनफ, स्टेनली व्हिटिंगम और अकीरा योशिनो को इस आविष्कार के विकास और विकास के लिए नोबेल पुरस्कार मिला था।
