Fast Isotropic Li-Ion Diffusion in Zeolitic Imidazolate Framework Glass Electrolytes for Batteries
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ज़ियोलिटिक इमिडाज़ोलेट फ्रेमवर्क (ZIF) ग्लास में संरचनात्मक विकार सक्रियण ऊर्जा को कम करके और निरंतर, सजातीय परिवहन को सक्षम करके कमरे के तापमान पर लिथियम-आयन प्रसार को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता और आइसोट्रोपाइज़ करता है, जिससे ZIF ग्लास उच्च-प्रदर्शन वाले सॉलिड-स्टेट बैटरी इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए आशाजनक उम्मीदवारों के रूप में स्थापित होते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप लोगों की भीड़ को एक भूलभुलैया (maze) के माध्यम से दौड़ने के लिए प्रेरित करने की कोशिश कर रहे हैं। यदि भूलभुलैया एक कठोर, पहले से बनी संरचना है जिसमें संकीकर, घुमावदार गलियारे हैं, तो दौड़ने वाले लोग फंस जाएंगे, दीवारों से टकराएंगे, और केवल तभी आगे बढ़ पाएंगे जब उन्हें कोई बहुत ही विशिष्ट, भाग्यशाली अंतराल मिल जाए। यह अक्सर उन ठोस सामग्रियों के भीतर बिजली के चलने का तरीका है जिनका हम वर्तमान में बैटरी के लिए उपयोग करते हैं। लेकिन क्या होगा यदि हम उस भूलभुलभुलैया को पिघला दें और उसे एक आकारहीन, लचीले ढेर के रूप में ठंडा होने दें? अचानक, दीवारें अब स्थिर नहीं रहतीं। धावक नए रास्ते खोज सकते हैं, उन अंतरालों से फिसल सकते हैं जो पहले अस्तित्व में नहीं थे, और एक साथ हर दिशा में गति कर सकते हैं। यह एक नए प्रकार की बैटरी सामग्री के पीछे का मूल विचार है जिसे "ठोस इलेक्ट्रोलाइट" (solid electrolyte) कहा जाता है। खतरनाक, ज्वलनशील तरल पदार्थों के बजाय, वैज्ञानिक ऐसे ठोस पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो लिथियम आयनों (ऊर्जा ले जाने वाले छोटे आवेशित कणों) को उनके माध्यम से तेज़ी से और सुरक्षित रूप से गुजरने दे सकें। बड़ी चुनौती एक ऐसा ठोस खोजने की है जो बैटरी विस्फोटों को रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत हो और आपके फोन को सेकंडों में चार्ज करने के लिए पर्याप्त तेज़ भी हो।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने सामग्रियों के एक विशेष परिवार का अन्वेषण किया जिसे ज़ियोलिटिक इमिडाज़ोलेट फ्रेमवर्क (Zeolitic Imidazolate Frameworks), या संक्षेप में ZIFs कहा जाता है। ZIFs को सूक्ष्म, स्पंज जैसी पिंजरियों के रूप में समझें जो धातु के परमाणुओं और कार्बनिक छल्लों (organic rings) से बनी होती हैं। आमतौर पर, ये पिंजरे एक पूर्ण, क्रिस्टल जैसी ग्रिड में व्यवस्थित होते हैं। लेकिन वैज्ञानिकों ने सोचा: क्या होगा यदि हम इन क्रिस्टल को पिघला दें और उन्हें इतनी तेज़ी से ठंडा करें कि वे कांच (glass) में बदल जाएं? एक कांच में, पिंजरे अपना पूर्ण क्रम खो देते हैं और एक अव्यवध्य, बिखरे हुए ढेर में बदल जाते हैं। टीम ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया—अनिवारत रूप से एक आभासी दुनिया बनाना जहाँ वे लिथियम आयनों के नृत्य को देख सकें—यह देखने के लिए कि यह अव्यवस्था आयनों की गति और दिशा को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने पाया कि इन सामग्रियों को कांच में बदलने से वे केवल अस्त-व्यस्त ही नहीं हुईं; बल्कि इसने वास्तव में लिथियम आयनों के लिए एक सुपरहाइवे खोल दिया, जिससे वे क्रिस्टलीय संस्करण की तुलना में बहुत अधिक तेज़ी से और समान रूप से गति करने लगे।
शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों के दो विशिष्ट प्रकारों, ZIF-4 और ZIF-62 पर ध्यान केंद्रित किया, और उनके "क्रिस्टलीय" (व्यवस्थित) रूपों की तुलना उनके "ग्लासी" (अव्यवस्थित) रूपों से की। एक परिष्कृत कंप्यूटर मस्तिष्क, जिसे मशीन लर्निंग पोटेंशियलियल कहा जाता है, का उपयोग करके उन्होंने विभिन्न तापमानों पर लिथियम आयनों की गति का अनुकरण किया। परिणाम चौंकाने वाले थे। व्यवस्थित क्रिस्टल में, लिथियम आयनों को हिलने-डुलने में कठिनाई होती थी। वे विशिष्ट पिंजरों में फंसे हुए थे और केवल तभी अगले पिंजरे में जा सकते थे जब उनके पास एक संकीर्ण दरवाजे से गुजरने के लिए पर्याप्त ऊर्जा हो। यह प्रक्रिया धीमी थी और दिशा के प्रति बहुत चयनात्मक थी; आयन एक दिशा में तेज़ी से चलते थे लेकिन दूसरी दिशा में शायद ही चलते थे। यह एक ऐसे गलियारे में दौड़ने जैसा था जहाँ दरवाजे केवल तभी खुलते हैं जब आप बिल्कुल सही कोण से उनके पास पहुँचते हैं।
हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने इन सामग्रियों को कांच में बदल दिया, तो कहानी पूरी तरह बदल गई। इस अव्यवस्था ने "दरवाजों" और रास्तों की एक विस्तृत श्रृंखला बना दी। सक्रियण ऊर्जा (activation energy)—चलने के लिए आवश्यक प्रयास की मात्रा—काफी कम हो गई। ZIF-4 के लिए, ऊर्जा अवरोध लगभग 0.35 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) से गिरकर 0.16 eV हो गया। ZIF-62 के लिए, यह 0.34 eV से गिरकर 0.16 eV हो गया। क्योंकि अवरोध कम था, आयन बहुत अधिक स्वतंत्र रूप से गति कर सके। सिमुलेशन ने दिखाया कि कमरे के तापमान पर डिफ्यूजन कोएफिशिएंट (विसरण गुणांक - यह मापने का एक तरीका कि आयन कितनी तेज़ी से फैलते हैं) ZIF-4 के लिए दस गुना से अधिक और ZIF-62 के लिए लगभग सात गुना बढ़ गया।
सबसे रोमांचक खोज दिशा के बारे में थी। क्रिस्टल संस्करणों में, आयन "एनिसोट्रोपिक" (anisotropic) थे, जिसका अर्थ है कि उनकी यात्रा की एक पसंदीदा दिशा थी, जैसे एक कार एकतरफा सड़क पर फंसी हो। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि सामग्री बनाने वाले छल्ले सभी एक ही तरह से संरेखित थे, जो कुछ दिशाओं में गति को रोक रहे थे। लेकिन कांच में, वे छल्ले यादृच्छिक (randomized) थे, जो हर दिशा में इशारा कर रहे थे। इसने एकतरफा सड़क को एक राउंडअबाउट (गोल चक्कर) में बदल दिया जहाँ आयन कहीं भी जा सकते थे। विसरण "आइसोट्रोपिक" (isotropic) हो गया, या सभी दिशाओं में समान हो गया। कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि कांच में, आयन केवल दुर्लभ, झटकेदार छलांग लगाकर एक पिंजरे से दूसरे पिंजरे में नहीं कूदते थे; वे एक सुचारू, निरंतर प्रवाह में चलते थे, लगभग एक स्पंज के माध्यम से बहते पानी की तरह।
टीम ने यह भी देखा कि आयन समय के साथ कैसे चलते हैं। क्रिस्टल में, आयन एक नई जगह पर अचानक, दुर्लभ छलांग लगाने से पहले एक ही स्थान पर काफी समय तक हिलते-डुलते रहते थे। इसे "डायनेमिक हेटेरोजेनिटी" (dynamic heterogeneity) कहा जाता है, जहाँ केवल कुछ भाग्यशाली आयन ही गति कर रहे होते हैं जबकि बाकी फंसे होते हैं। कांच में, यह व्यवहार गायब हो गया। आयन अधिक समान रूप से चले, जिसमें हर कोई प्रवाह में भाग ले रहा था। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि ग्लास संरचना ने ऊर्जा अवरोधों का एक व्यापक वितरण प्रदान किया, जिसका अर्थ था कि आयनों के पास जाने के लिए हमेशा कुछ आसान रास्ते उपलब्ध थे, भले ही उन्हें शुरू करने के लिए बहुत अधिक गर्मी की आवश्यकता न हो।
आणविक छल्लों के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि कांच की यादृच्छिकता ही मुख्य कुंजी थी। क्रिस्टल में, छल्ले इस तरह संरेखित थे कि उन्होंने कुछ रास्तों को अवरुद्ध कर दिया, जिससे आयनों के चढ़ने के लिए ऊँची दीवारें बन गईं। कांच में, छल्ले बिखरे हुए थे, जिससे वे विशिष्ट दीवारें हट गईं और एक ऐसा परिदृश्य बना जहाँ आयन आसानी से रास्ता खोज सकते थे। यह सुझाव देता है कि इन सामग्रियों को क्रिस्टलीय के बजाय ग्लास बनाने के लिए डिज़ाइन करके, हम ऐसे ठोस इलेक्ट्रोलाइट बना सकते हैं जो न केवल तेज़ हैं बल्कि अधिक विश्वसनीय भी हैं क्योंकि वे बिजली का संचालन करने के लिए एक एकल, पूर्ण पथ पर निर्भर नहीं हैं।
यह अध्ययन बैटरी डिजाइन के भविष्य के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह दिखाता है कि कभी-कभी, किसी सामग्री के पूर्ण क्रम को तोड़ना ही उसे बेहतर बनाने के लिए आवश्यक होता है। इन मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स को कांच में बदलकर, वैज्ञानिक ऐसे ठोस इलेक्ट्रोलाइट बना सकते हैं जो एक तरल की गति और एक ठोस की सुरक्षा दोनों को जोड़ते हैं, जिससे संभावित रूप से ऐसी बैटरियां बन सकती हैं जो तेज़ी से चार्ज होती हैं, लंबे समय तक चलती हैं और उपयोग के लिए बहुत सुरक्षित होती हैं। हालाँकि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, वे एक मजबूत संकेत देते हैं कि बेहतर बैटरी का मार्ग थोड़ा सा अराजक (chaos) होने में ही छिपा हो सकता है।
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