सुरक्षित आणि शक्तिशाली बॅटरीज तयार करण्यासाठी नॅनोवायरचा वापर

आम्ही दररोज वापरत असलेल्या बॅटरी अधिक लवचिक, शक्तिशाली आणि सुरक्षित बनवण्याचा एक मार्ग अभ्यासाने शोधला आहे.

वर्ष 2018 आहे आणि आपले दैनंदिन जीवन आता वेगवेगळ्या गॅझेट्सने चालते जे एकतर चालू आहे वीज किंवा बॅटरीवर. बॅटरी-ऑपरेटेड गॅझेट्स आणि उपकरणांवरील आमची अवलंबित्व कमालीची वाढत आहे. ए बॅटरी रासायनिक ऊर्जा साठवून ठेवणारे उपकरण विजेत रूपांतरित होते. बॅटरी या लहान रासायनिक अणुभट्ट्यांसारख्या असतात ज्यात इलेक्ट्रॉन्सची उर्जा निर्माण होते जी बाह्य उपकरणातून प्रवाहित होते. सेल फोन असो किंवा लॅपटॉप किंवा इतर अगदी इलेक्ट्रिक वाहने असोत, बॅटरी - सामान्यतः लिथियम-आयन - या तंत्रज्ञानाचा मुख्य उर्जा स्त्रोत आहे. तंत्रज्ञान जसजसे प्रगती करत आहे, तसतसे अधिक कॉम्पॅक्ट, उच्च क्षमता आणि सुरक्षित रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरीची सतत मागणी आहे.

बॅटरीचा दीर्घ आणि गौरवशाली इतिहास आहे. अमेरिकन शास्त्रज्ञ बेंजामिन फ्रँकलिन यांनी 1749 मध्ये प्रथम "बॅटरी" हा शब्द वापरला आणि जोडलेल्या कॅपेसिटरच्या संचाचा वापर करून विजेवर प्रयोग केले. इटालियन भौतिकशास्त्रज्ञ अॅलेसॅंड्रो व्होल्टा यांनी 1800 मध्ये पहिली बॅटरी शोधून काढली जेव्हा तांबे (Cu) आणि जस्त (Zn) च्या हेस्टॅक केलेल्या डिस्क्स खारट पाण्यात भिजवलेल्या कापडाने वेगळे केल्या. लीड-ऍसिड बॅटरी, सर्वात टिकाऊ आणि सर्वात जुनी रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरींपैकी एक 1859 मध्ये शोधण्यात आली आणि आजही वाहनांमधील अंतर्गत ज्वलन इंजिनसह अनेक उपकरणांमध्ये वापरली जाते.

बॅटऱ्या खूप पुढे गेल्या आहेत आणि आज त्या मोठ्या मेगावॅटच्या आकाराच्या श्रेणींमध्ये येतात, त्यामुळे सैद्धांतिकदृष्ट्या त्या सौर शेतांमधून वीज साठवू शकतात आणि लहान शहरे उजळवू शकतात किंवा इलेक्ट्रॉनिक घड्याळांमध्ये वापरल्या जाणार्‍या त्या लहान असू शकतात. , अद्भुत आहे ना. ज्याला प्राथमिक बॅटरी म्हणतात त्यामध्ये, इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह निर्माण करणारी प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय असते आणि अखेरीस जेव्हा त्यातील एक अभिक्रियाक वापरला जातो तेव्हा बॅटरी सपाट होते किंवा मरते. सर्वात सामान्य प्राथमिक बॅटरी झिंक-कार्बन बॅटरी आहे. या प्राथमिक बॅटरीज ही एक मोठी समस्या होती आणि अशा बॅटरीच्या विल्हेवाट लावण्याचा एकमेव मार्ग म्हणजे त्यांचा पुनर्वापर करता येईल अशी पद्धत शोधणे – म्हणजे त्यांना रिचार्ज करण्यायोग्य बनवणे. नवीन बॅटरी बदलणे साहजिकच अव्यवहार्य होते आणि त्यामुळे बॅटरीज अधिक होत गेल्या. शक्तिशाली आणि त्यांना पुनर्स्थित करणे आणि त्यांची विल्हेवाट लावणे खूप महाग आहे हे सांगणे अशक्य होते.

निकेल-कॅडमियम बॅटरी (NiCd) ही पहिली लोकप्रिय रिचार्जेबल बॅटरी होती ज्याने अल्कली इलेक्ट्रोलाइट म्हणून वापरली. 1989 मध्ये निकेल-मेटल हायड्रोजन बॅटरी (NiMH) विकसित केल्या गेल्या ज्याचे आयुष्य NiCd बॅटरीपेक्षा जास्त होते. तथापि, त्यांच्यात काही कमतरता होत्या, मुख्यत्वे ते जास्त चार्जिंग आणि अतिउष्णतेसाठी अतिशय संवेदनशील होते, विशेषत: जेव्हा ते त्यांच्या कमाल दरानुसार चार्ज केले जातात तेव्हा. त्यामुळे, कोणतेही नुकसान टाळण्यासाठी त्यांना हळू आणि काळजीपूर्वक चार्ज करावे लागले आणि सोप्या चार्जरद्वारे चार्ज होण्यासाठी जास्त वेळ लागेल.

1980 मध्ये शोधलेल्या, लिथियम-आयन बॅटरी (LIBs) ग्राहकांमध्ये सर्वाधिक वापरल्या जाणाऱ्या बॅटरी आहेत इलेक्ट्रॉनिक आज उपकरणे. लिथियम हे सर्वात हलके घटकांपैकी एक आहे आणि त्यात सर्वात मोठी इलेक्ट्रोकेमिकल क्षमता आहे, म्हणून हे संयोजन बॅटरी बनवण्यासाठी आदर्श आहे. LIBs मध्ये, लिथियम आयन वेगवेगळ्या इलेक्ट्रोड्समध्ये एका इलेक्ट्रोलाइटद्वारे हलतात जे मिठापासून बनलेले असते आणि सेंद्रीय सॉल्व्हेंट्स (बहुतेक पारंपारिक LIB मध्ये). सैद्धांतिकदृष्ट्या, लिथियम धातू ही सर्वात उच्च क्षमता असलेली विद्युतदृष्ट्या सकारात्मक धातू आहे आणि बॅटरीसाठी सर्वोत्तम संभाव्य पर्याय आहे. जेव्हा LIB रिचार्जिंग करत असतात, तेव्हा सकारात्मक चार्ज केलेले लिथियम आयन लिथियम मेटल बनते. अशा प्रकारे, LIBs त्यांच्या दीर्घ आयुष्यामुळे आणि उच्च क्षमतेमुळे सर्व प्रकारच्या पोर्टेबल उपकरणांमध्ये वापरण्यासाठी सर्वात लोकप्रिय रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरी आहेत. तथापि, एक मोठी समस्या अशी आहे की इलेक्ट्रोलाइट सहजपणे बाष्पीभवन करू शकते, ज्यामुळे बॅटरीमध्ये शॉर्ट सर्किट होते आणि यामुळे आगीचा धोका असू शकतो. व्यवहारात, LIBs खरोखरच अस्थिर आणि अकार्यक्षम आहेत कारण कालांतराने लिथियमचे स्वरूप एकसमान बनत नाही. LIB चे चार्ज आणि डिस्चार्ज दर देखील कमी असतात आणि सुरक्षिततेच्या समस्यांमुळे ते अनेक उच्च शक्ती आणि उच्च क्षमतेच्या मशीनसाठी अव्यवहार्य बनतात, उदाहरणार्थ इलेक्ट्रिक आणि हायब्रिड इलेक्ट्रिक वाहने. LIB ने अत्यंत दुर्मिळ प्रसंगी चांगली क्षमता आणि धारणा दर प्रदर्शित केल्याचा अहवाल दिला आहे.

अशा प्रकारे, बॅटरीच्या जगात सर्व काही परिपूर्ण नाही कारण अलीकडच्या वर्षांत बर्‍याच बॅटरी असुरक्षित म्हणून चिन्हांकित केल्या गेल्या आहेत कारण त्या आग लागतात, अविश्वसनीय आणि कधीकधी अकार्यक्षम असतात. जगभरातील शास्त्रज्ञ अशा बॅटरी बनवण्याच्या शोधात आहेत ज्या लहान, सुरक्षितपणे रिचार्ज करण्यायोग्य, हलक्या, अधिक लवचिक आणि त्याच वेळी अधिक सामर्थ्यशाली असतील. त्यामुळे, संभाव्य पर्याय म्हणून लक्ष घन-राज्य इलेक्ट्रोलाइट्सकडे वळले आहे. शास्त्रज्ञांनी अनेक पर्यायांचा प्रयत्न केला आहे, परंतु स्थिरता आणि स्केलेबिलिटी हा बहुतांश अभ्यासांमध्ये अडथळा ठरला आहे. पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्सने मोठी क्षमता दर्शविली आहे कारण ते केवळ स्थिर नाहीत तर लवचिक आणि स्वस्त देखील आहेत. दुर्दैवाने, अशा पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्सची मुख्य समस्या म्हणजे त्यांची खराब चालकता आणि यांत्रिक गुणधर्म.

ACS मध्ये प्रकाशित अलीकडील अभ्यासात नॅनो लेटर, संशोधक ने दाखवून दिले आहे की बॅटरीची सुरक्षितता आणि अगदी इतर अनेक गुणधर्म त्यात नॅनोवायर जोडून वाढवता येतात, बॅटरी उत्कृष्ट बनते. चीनच्या झेजियांग युनिव्हर्सिटी ऑफ टेक्नॉलॉजीच्या कॉलेज ऑफ मटेरियल सायन्स अँड इंजिनीअरिंगच्या संशोधकांच्या या टीमने त्यांच्या मागील संशोधनावर तयार केले आहे जेथे त्यांनी मॅग्नेशियम बोरेट नॅनोवायर तयार केले आहेत जे चांगले यांत्रिक गुणधर्म आणि चालकता प्रदर्शित करतात. सध्याच्या अभ्यासात त्यांनी हे तपासले की हे बॅटरीसाठी देखील खरे आहे की नाही nanowires सॉलिड-स्टेट पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइटमध्ये जोडले जातात. सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट 5, 10, 15 आणि 20 वजनाच्या मॅग्नेशियम बोरेट नॅनोवायरमध्ये मिसळले गेले. असे दिसून आले की नॅनोवायर्सने सॉलिड-स्टेट पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइटची चालकता वाढवली ज्यामुळे नॅनोवायरशिवाय पूर्वीच्या तुलनेत बॅटरी अधिक मजबूत आणि लवचिक बनली. चालकतेतील ही वाढ इलेक्ट्रोलाइटमधून जाणाऱ्या आणि हलणाऱ्या आयनांच्या संख्येत वाढ झाल्यामुळे आणि वेगवान दराने झाली. संपूर्ण सेटअप बॅटरीसारखा होता पण त्यात नॅनोवायर जोडले होते. यामुळे सामान्य बॅटरीच्या तुलनेत उच्च कार्यक्षमता आणि वाढलेली सायकल दिसून आली. ज्वलनक्षमतेची महत्त्वाची चाचणीही करण्यात आली आणि बॅटरी जळत नसल्याचे दिसून आले. मोबाईल फोन आणि लॅपटॉप्स सारख्या आजच्या मोठ्या प्रमाणात वापरल्या जाणार्‍या पोर्टेबल ऍप्लिकेशन्सना जास्तीत जास्त आणि सर्वात कॉम्पॅक्ट संग्रहित ऊर्जेसह अपग्रेड करणे आवश्यक आहे. हे स्पष्टपणे हिंसक स्त्राव होण्याचा धोका वाढवते आणि अशा उपकरणांसाठी ते व्यवस्थापित करण्यायोग्य आहे कारण बॅटरीचे छोटे स्वरूप आवश्यक आहे. परंतु बॅटरीचे मोठे ऍप्लिकेशन डिझाइन केलेले आणि प्रयत्न केले जात असल्याने, सुरक्षितता, टिकाऊपणा आणि शक्ती सर्वोच्च महत्त्व गृहीत धरते.

***

स्त्रोत

शेंग ओ इत्यादी. 2018. Mg2B2O5 नॅनोवायरने उच्च आयोनिक चालकता, उत्कृष्ट यांत्रिक गुणधर्म आणि ज्वाला-प्रतिरोधक कार्यक्षमतेसह मल्टीफंक्शनल सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट्स सक्षम केले. नॅनो अक्षरे. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659

***