🔬 सामग्री विज्ञान

Fast Lithium Ion Diffusion in Brownmillerite $\mathrm{Li}_{x}\mathrm{{Sr}_{2}{Co}_{2}{O}_{5}}$

यह अध्ययन प्रथम-सिद्धांत गणनाओं (first-principles calculations) के माध्यम से प्रदर्शित करता है कि ब्राउनमिलराइट $\mathrm{Li}_{x}\mathrm{Sr}_{2}\mathrm{Co}_{2}\mathrm{O}_{5}$ में ऑक्सीजन-रिक्ति चैनल (oxygen-vacancy channels) कम माइग्रेशन बाधाओं के साथ असाधारण रूप से तेज़ लिथियम आयन प्रसार को सक्षम करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप आयनिक चालकता और विसरणशीलता अधिकांश मौजूदा ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में काफी बेहतर है।

मूल लेखक: Xin Chen, Xixiang Zhang, Jie-Xiang Yu, Jiadong Zang

प्रकाशित 2026-10-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Xin Chen, Xixiang Zhang, Jie-Xiang Yu, Jiadong Zang

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बैटरी आधुनिक दुनिया के मौन इंजन हैं, जो स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक कारों तक सब कुछ संचालित करती हैं। इनके मूल में एक सरल लेकिन कठिन चुनौती निहित है: आवेशित परमाणुओं, जिन्हें आयन कहा जाता है, को एक ठोस सामग्री के माध्यम से तेजी से और सुरक्षित रूप से ले जाना। एक पारंपरिक बैटरी में, ये आयन एक तरल पदार्थ के माध्यम से यात्रा करते हैं, जो तेज़ तो है लेकिन ज्वलनशील और अस्थिर हो सकता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक ठोस विकल्प की खोज की है, एक ऐसी सामग्री जो आयनों के लिए राजमार्ग की तरह कार्य करे लेकिन ठोस और सुरक्षित बनी रहे। ऐसी सामग्री की कुंजी एक ऐसे मार्ग को खोजने में है जहाँ आयन बहुत कम प्रयास के साथ एक स्थान से दूसरे स्थान पर कूद सकें। यदि उस कूद को करने के लिए आवश्यक ऊर्जा बहुत अधिक है, तो बैटरी सुस्त हो जाती है या काम करना बंद कर देती है। यदि मार्ग अवरुद्ध हो जाता है या आयन फंस जाते हैं, तो बैटरी कुशलतापूर्वक चार्ज या डिस्चार्ज नहीं हो सकती। एक ऐसी ठोस सामग्री की खोज जो आयनों को उतनी ही स्वतंत्रता से चलने दे जितना कि वे एक तरल में चलते हैं, आज ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र में सबसे महत्वपूर्ण खोजों में से एक है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस भूमिका के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार की पहचान की है, एक क्रिस्टल संरचना जिसे ब्राउनमिलराइट (brownmillerite) के रूपay में जाना जाता है। विशेष रूप से, उन्होंने लिथियम, स्ट्रोंटियम और कोबाल्ट से बने एक यौगिक का अध्ययन किया। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने सटीक रूप से मानचित्रित किया कि लिथियम आयन इस सामग्री के माध्यम से कैसे चलते हैं। उन्होंने पाया कि इस क्रिस्टल में प्राकृतिक, खाली सुरंगें मौजूद हैं, जो ऑक्सीजन परमाणुओं की कमी के कारण बनी हैं। ये सुरंगें लिथियम आयनों के लिए समर्पित लेन के रूप में कार्य करती हैं। जब शोधकर्ताओं ने इन लेनों में लिथियम इंजेक्ट किया, तो आयन फंसे नहीं; इसके बजाय, वे उल्लेखनीय सहजता के साथ फिसलते चले गए। आयनों को एक स्थिर स्थान से दूसरे स्थान तक जाने के लिए जिस ऊर्जा बाधा को पार करना था, वह पाया गया कि अत्यंत कम थी, जो इस बात पर निर्भर करते हुए 0.17 से 0.28 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच थी। इसे समझने के लिए, यह एक बहुत ही कम ऊँचाई वाली पहाड़ी चढ़ने जैसा है, जो आयनों को कमरे के तापमान पर भी तेजी से गति करने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने गणना की कि कमरे के तापमान पर, यह सामग्री लिथियम आयनों को 10⁻⁷ और 10⁻⁶ वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड की दर से विसरित (diffuse) होने देती है। यह 10⁻³ और 10⁻² सीमेंस प्रति सेंटीमीटर की विद्युत चालकता के बीच अनुवादित होता है। ये संख्याएँ महत्वपूर्ण हैं क्योंकि ये वर्तमान में बैटरियों में उपयोग की जाने वाली या अध्ययन की जा रही कई अन्य ठोस सामग्रियों, जिनमें से कुछ प्रकार की सिरेमिक और सल्फाइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स शामिल हैं, की तुलना में अधिक हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि यह सामग्री एक "सुपर-आयनिक कंडक्टर" हो सकती है, जो एक ऐसे ठोस के लिए शब्द है जो आयनों का संचालन लगभग तरल के समान करता है। जो इस खोज को विशेष रूप से दिलचस्प बनाता है वह यह है कि यह सामग्री एक विद्युत विसंवाहक (insulator) बनी रहती है, जिसका अर्थ है कि यह इलेक्ट्रॉनों को गुजरने नहीं देती है। यह एक महत्वपूर्ण सुरक्षा विशेषता है, क्योंकि यह बैटरी को शॉर्ट-सर्किट होने से रोकती है जबकि आवश्यक आयनों को बहने की अनुमति देती है।

टीम ने आयन इतनी आसानी से क्यों चलते हैं, यह समझने के लिए परमाणु संरचना का बारीकी से निरीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जैसे ही एक लिथियम आयन सुरंग के माध्यम से गुजरता है, वह आसपास के ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ अस्थायी, कमजोर बंधन बनाता है। ये बंधन इस तरह से बनते और टूटते हैं जो वास्तव में गति की ऊर्जा लागत को कम करने में मदद करते हैं, न कि उसमें बाधा डालते हैं। यह ऐसा है मानो मार्ग स्वयं यात्री की सहायता के लिए थोड़ा पुनर्गठित हो जाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि क्रिस्टल के यूनिट सेल में बिना टूटे चार लिथियम आयन समा सकते हैं, हालांकि क्रिस्टल ने उन्हें समायोजित करने के लिए आयतन में थोड़ा विस्तार किया। इन अतिरिक्त आयनों के साथ भी, सामग्री ने अपने चुंबकीय क्रम और अपने विसंवाहक गुणों को बनाए रखा, जिससे यह स्थिर और सुरक्षित बनी रही।

यह कार्य एक विस्तृत ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि कैसे लिथियम आयन इस ब्राउनमिलराइट क्रिस्टल के भीतर विशिष्ट सुरंगों में नेविगेट करते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि यह सामग्री केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है बल्कि भविष्य के बैटरी डिजाइनों के लिए एक मजबूत विकल्प है। चूंकि इसकी संरचना अन्य प्रसिद्ध बैटरी सामग्रियों के समान है लेकिन यह आयनों के लिए एक समर्पित चैनल प्रदान करती है जो लिथियम धातु से जुड़ी स्थिरता की समस्याओं से बचता है, यह क्षेत्र में एक बड़ी समस्या को हल कर सकता है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि यह सामग्री ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के उपयोग के लिए एक मजबूत दावेदार है, जो गति, सुरक्षा और स्थिरता का एक ऐसा संयोजन प्रदान करती है जिसे एक एकल ठोस सामग्री में प्राप्त करना कठिन रहा है।

तकनीकी सारांश: ब्राउनमिलराइट $Li_xSr_2Co_2O_5$ में तीव्र लिथियम आयन विसरण

समस्या और प्रेरणा
ठोसों में आयनिक विसरण भौतिक गुणों के हेरफेर (आयनिक लिक्विड गेटिंग (ILG) के माध्यम से) और ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों, विशेष रूप से ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। कुशल ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए उच्च आयनिक चालकता और निम्न इलेक्ट्रॉनिक चालकता की आवश्यकता होती है। नर्न्स्ट-आइंस्टीन समीकरण और विनेयार्ड के हॉपिंग मॉडल के अनुसार, तीव्र आयन विसरण प्राप्त करने के लिए दो प्राथमिक कारकों पर निर्भर करता है: निम्न प्रवासन अवरोध ( $E_a$ ) और उच्च हॉपिंग प्रयास आवृत्तियाँ ( $\nu^*$ )| पेरोव्स्काइट-प्रकार के ऑक्साइड, अपने क्रमबद्ध विसरण चैनलों के कारण आशाजनक उम्मीदवार हैं, लेकिन उन सामग्रियों की पहचान करने की आवश्यकता है जिनमें और भी कम प्रवासन अवरोध और श्रेष्ठ आयनिक परिवहन गुण हों। यह अध्ययन ब्राउनमिलराइट $Sr_2Co_2O_5$ की क्षमता की जांच करता है, जिसमें व्यवस्थित, नियंत्रणीय ऑक्सीजन-रिक्ति चैनल मौजूद हैं, जो लिथियम आयनों के लिए $Li_xSr_2Co_2O_5$ के रूप में एक होस्ट (host) का कार्य करते हैं।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने वियाना एब इनिशियो सिमुलेशन पैकेज (VASP) का उपयोग करके डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) पर आधारित प्रथम-सिद्धांत गणनाओं (first-principles calculations) का उपयोग किया। मुख्य कार्यप्रणाली विवरणों में शामिल हैं:

इलेक्ट्रॉनिक संरचना: एक्सचेंज-कोरिलेशन ऊर्जा के लिए प्रोजेक्टर ऑगमेंटेड वेव (PAW) स्यूडोपोटेंशियल और पर्ड्यू-बर्क-एर्न्ज़रहोफ़ (PBE) जनरलाइज्ड ग्रेडिएंट एप्रोक्सिमेशन।
कोरिलेशन प्रभाव: कोबाल्ट (Co(3d)) कक्षकों के लिए हबार्ड $U$ विधि (लिचटेनस्टीन कार्यान्वयन) को $U = 5.0$ eV और $J = 0.9$ eV के साथ लागू किया गया ताकि मजबूत ऑन-साइट कोरिलेशन को स्पष्ट किया जा सके।
विसरण पथ (Diffusion Pathways): स्थिर स्थानीय मिनिमा के बीच प्रवासन अवरोध और न्यूनतम ऊर्जा पथ निर्धारित करने के लिए क्लाइंबिंग इमेज नग्ड इलास्टिक बैंड (cl-NEB) विधि का उपयोग किया गया। इसमें आठ छवियों (images) का उपयोग किया गया और बल अभिसरण (force convergence) को 0.02 eV/Å पर सेट किया गया।
गतिकी (Dynamics): विनेयार्ड सूत्र के माध्यम से हॉपिंग प्रयास आवृत्तियों को निर्धारित करने के लिए फाइनाइट डिस्प्लेसमेंट विधि (Phonopy) का उपयोग करके $\Gamma$ बिंदु पर फोनन मोड की गणना की गई।
मॉडल: विभिन्न लिथियम सांद्रता ( $x = 0.25, 0.5, 0.75, 1.0$ ) के साथ $Li_xSr_2Co_2O_5$ के लिए गणना की गई ताकि विरल (dilute) और लगभग संतृप्त (near-saturated) दोनों स्थितियों का अनुकरण किया जा सके।

मुख्य योगदान और परिणाम

संरचनात्मक स्थिरता और लिथियम समावेशन:
अध्ययन पुष्टि करता है कि ऑर्थोरोम्बिक $Sr_2Co_2O_5$ जाली (lattice) के ऑक्सीजन-रिक्ति चैनलों के भीतर $Li^+$ धनायनों को स्थिर किया जा सकता है। प्रति यूनिट सेल चार $Li^+$ आयनों तक समाहित किए जा सकते हैं (जो $LiSr_2Co_2O_5$ बनाते हैं), जो $x=1.0$ की अधिकतम सांद्रता के अनुरूप है। सभी सांद्रता के लिए निर्माण ऊर्जा (formation energy) ऋणात्मक है, जो ऊष्मप्रवैगिकी स्थिरता (thermodynamic stability) को दर्शाती है। आयतन विस्तार मामूली है (पूर्ण अधिभोग के लिए ~8.2% तक), और जाली पैरामीटर लिथियम सांद्रता के साथ रैखिक रूप से विस्तारित होते हैं।
इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय गुण:
लिथियम इंजेक्शन के बाद, सामग्री अपने इन्सुलेटिंग गुणों (बैंड गैप ~0.6–0.8 eV) और अपने G-प्रकार के एंटीफेरोमैग्नेटिक (G-AF) स्पिन ऑर्डरिंग को बनाए रखती है, जो कि ग्राउंड स्टेट है। $Li^+$ का इंजेक्शन कोबाल्ट की संयोजकता अवस्थाओं को बदल देता है, जिससे मिश्रित संयोजकता अवस्था ( $Co^{2+}$ और $Co^{3+}$ ) और मेटल सेग्रिगेशन प्रभाव उत्पन्न होता है। इन परिवर्तनों के बावजूद, प्रणाली मूल सामग्री के समान एक इन्सुलेटर और G-AF ग्राउंड स्टेट बनी रहती है।
प्रवासन अवरोध और विसरण तंत्र:
ऑक्सीजन-रिक्ति चैनलों के साथ $Li^+$ विसरण के लिए प्रवासन अवरोधों की गणना असाधारण रूप से कम पाई गई:

$x = 0.25$ (विरल सीमा): 0.28 eV।
$x = 0.75$ (लगभग संतृप्त सीमा): 0.17 eV।
ये अवरोध पेरोव्स्काइट-प्रकार के Li-आयन सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स (0.2–0.6 eV) में पाए जाने वाले अवरोधों से कम हैं। कम अवरोध Li-O इंटरैक्शन की मल्टी-बॉन्डिंग प्रकृति के कारण हैं; प्रवासन के दौरान, पिछले परमाणुओं के साथ बंधों को तोड़ने की ऊर्जा लागत की भरपाई अगले ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ नए बंध बनाने से हो जाती है।

आयनिक विसरणशीलता और चालकता:
परिकलित प्रवासन अवरोधों और हॉपिंग प्रयास आवृत्तियों (फोनन मोड से प्राप्त) का उपयोग करते हुए, लेखकों ने कमरे के तापमान (300 K) पर परिवहन गुणों का अनुमान लगाया:

विसरणशीलता ( $D$ ): $1.02 \times 10^{-7}$ से $1.00 \times 10^{-6}$ cm $^2$ s $^{-1}$ के बीच।
आयनिक चालकता ( $\sigma_i$ ): $1.20 \times 10^{-3}$ से $1.17 \times 10^{-2}$ S·cm $^{-1}$ के बीच।
ये मान एडियाबेटिक और स्ट्रॉन्ग स्कैटरिंग दोनों सीमाओं के तहत गणना किए गए थे; हालांकि स्ट्रॉन्ग स्कैटरिंग सीमा कम मान प्रदान करती है, फिर भी परिणाम उसी कोटि (order of magnitude) के भीतर हैं और मौजूदा ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स (पेरोव्स्काइट, गार्नेट और सल्फाइड प्रकार) की तुलना में श्रेष्ठ हैं।

महत्व और दावे
शोध निष्कर्ष निकालता है कि $Li_xSr_2Co_2O_5$ एक आशाजनक सुपर-आयनिक कंडक्टर के रूप में कार्य करता है। लेखक दावा करते हैं कि यह सामग्री पेरोव्स्काइट-प्रकार के सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स के लाभों—जैसे उच्च आयनिक चालकता, निम्न इलेक्ट्रॉनिक चालकता और विस्तृत इलेक्ट्रोकेमिकल विंडो—को विरासत में प्राप्त करती है, साथ ही एक विशिष्ट सीमा को भी संबोधित करती है: लिथियम धातु के विरुद्ध पेरोव्स्काइट इलेक्ट्रोलाइट्स की खराब स्थिरता। ब्राउनमिलराइट संरचना में ऑक्सीजन-रिक्ति चैनलों को विशेष रूप से घेरकर, $Li^+$ आयन लिथियम धातु एनोड के साथ बेहतर अनुकूलता प्रदान कर सकते हैं। यह अध्ययन $Li_xSr_2Co_2O_5$ को ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी के अनुप्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार के रूप में प्रस्तुत करता है, जो इसके सिद्ध तीव्र आयन विसरण और संरचनात्मक स्थिरता द्वारा समर्थित है।

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