An Fe–Ti bimetallic MOF-functionalized electrospun PVDF-HFP separator for homogeneous Li⁺ flux in thermally robust, fast-charging LiFePO₄ batteries
यह अध्ययन एक तापीय रूप से सुदृढ़, Fe–Ti द्विधात्विक (bimetallic) MOF-कार्यात्मकित PVDF-HFP इलेक्ट्रोस्पन सेपरेटर प्रस्तुत करता है जो ऋणायन एंकरिंग (anion anchoring) के माध्यम से Li⁺ फ्लक्स को समांगी बनाता है, जिससे वाणिज्यिक सेपरेटर्स की तुलना में बेहतर उच्च-दर प्रदर्शन और तापीय स्थिरता के साथ सुरक्षित, तेज़-चार्ज होने वाली LiFePO₄ बैटरियाँ सक्षम होती हैं।
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इलेक्ट्रिक वाहनों को शक्ति देने वाली और ग्रिड के लिए ऊर्जा संग्रहीत करने वाली बैटरियां एक नाजुक आंतरिक संरचना पर निर्भर करती हैं। इन उपकरणों के केंद्र में एक सेपरेटर (separator) होता है, जो एक पतला झिल्ली (membrane) है जो धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के बीच स्थित होता है। इसका काम सरल लेकिन महत्वपूर्ण है: इसे बिजली उत्पन्न करने के लिए छोटे, आवेशित लिथियम आयनों को स्वतंत्र रूप से गुजरने देना चाहिए, जबकि यह इलेक्ट्रॉनों को शारीरिक रूप से रोकना चाहिए और दोनों इलेक्ट्रोडों को आपस में टकराने से रोकना चाहिए ताकि शॉर्ट सर्किट न हो। दशकों से, उद्योग पॉलीओलेफिन प्लास्टिक से बने सेपरेटरों पर निर्भर रहा है, जो निष्क्रिय अवरोधों के रूप में कार्य करते हैं। हालांकि, जैसे-जैसे तेज़ चार्जिंग और अत्यधिक गर्मी में संचालन की मांग बढ़ रही है, ये पारंपरिक सामग्रियां अपनी सीमाओं को दर्शाती हैं। तापमान बढ़ने पर ये सिकुड़ने और पिघलने लगते हैं, और ये आयनों के प्रवाह को सक्रिय रूप से निर्देशित करने के लिए कुछ भी नहीं करते हैं। यह निष्क्रिय प्रकृति आयनों के असमान वितरण का कारण बन सकती है, जिससे ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पर खतरनाक धातु के स्पाइक्स (धातु की नुकीली संरचनाएं) बन सकते हैं और संभावित रूप से बैटरी की विफलता या आग का कारण बन सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने लंबे समय से इस निष्क्रिय अवरोध को एक सक्रिय नियामक में बदलने का तरीका खोजा है, एक ऐसी झिल्ली जो न केवल अलग करती है बल्कि आयनों के यातायात को व्यवस्थित भी करती है। मियांयांग सिटी कॉलेज और मीशान वोकेशनल एंड टेक्निकल कॉलेज की एक टीम के एक नए अध्ययन ने इस दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम प्रस्तुत किया है। उन्होंने एक नया प्रकार का सेपरेटर विकसित किया है जिसमें एक विशेष सामग्री शामिल है जिसे मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (metal-organic framework) कहा जाता है, विशेष रूप से एक जो आयरन (लोहा) और टाइटेनियम से बना है। इस सामग्री को एक पॉलीमर फाइबर झिल्ली में बुनकर, उन्होंने एक ऐसा घटक बनाया जो अवांछित रासायनिक कणों को सक्रिय रूप से थाम लेता है और लिथियम आयनों के प्रवाह को सुचारू बनाता है। परिणाम एक ऐसा बैटरी सेपरेटर है जो उच्च तापमान पर स्थिर रहता है, हानिकारक धातु के स्पाइक्स के निर्माण का विरोध करता है, और सुरक्षा से समझौता किए बिना इलेक्ट्रिक वाहनों को बहुत तेज़ी से चार्ज करने की अनुमति देता है।
टीम ने अपने मुख्य घटक, एक मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क को संश्लेषित करके शुरुआत की, जिसमें एक विधि शामिल है जो एक सीलबंद कंटेनर में रसायनों के मिश्रण को गर्म करने से जुड़ी है। यह प्रक्रिया एक क्रिस्टलीय संरचना बनाती है जिसमें सूक्ष्म, समान छिद्र और इसकी सतह पर खुले धातु स्थल होते हैं। इस विशिष्ट डिज़ाइन में, शोधकर्ताओं ने एक ही फ्रेमवर्क के भीतर आयरन और टाइटेनियम को मिलाया। उन्होंने इस संयोजन को इसलिए चुना क्योंकि दोनों धातुएं मिलकर एक ऐसी सतह बनाती हैं जो विशेष रूप से विशिष्ट रासायनिक आयनों (anions) को पकड़ने में अच्छी है, जबकि लिथियम आयनों को आसानी से गुजरने देती है। इस सामग्री को बैटरी सेपरेटर के रूप में उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन सूक्ष्म क्रिस्टलों को PVDF-HFP नामक एक लचीले पॉलीमर के घोल में मिलाया। फिर उन्होंने इलेक्ट्रोस्पिनिंग (electrospinning) नामक एक प्रक्रिया का उपयोग किया, जो तरल को अविश्वसनीय रूप से महीन, परस्पर जुड़े रेशों की चटाई में स्पिन करने के लिए उच्च वोल्टेज का उपयोग करती है। इसने एक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी झिल्ली बनाई जहाँ मेटल-ऑर्गेनिक क्रिस्टल केवल सतह पर बैठने के बजाय रेशों के भीतर समान रूप से वितरित थे।
जब टीम ने इस नए कंपोजिट मेम्ब्रेन का परीक्षण किया, तो मानक वाणिज्यिक सेपरेटरों की तुलना में परिणाम आश्चर्यजनक थे। नई सामग्री में तरल इलेक्ट्रोलाइट को सोखने की उल्लेखनीय क्षमता देखी गई, जो कि वह रासायनिक मिश्रण है जो बैटरी के भीतर आयनों को ले जाता है। जबकि एक मानक प्लास्टिक सेपरेटर तरल को कुछ हद तक प्रतिकर्षित करता है, नई झिल्ली इसे लगभग तुरंत अवशोषित कर लेती है, जिसका संपर्क कोण (contact angle) केवल 18 डिग्री है। इलेक्ट्रोलाइट के लिए इस उच्च आकर्षण का अर्थ था कि आयन इस सामग्री के माध्यम से बहुत अधिक स्वतंत्र रूप से घूम सकते थे। शोधकर्ताओं ने इस गति को मापा और पाया कि नया सेपरेटर मानक विकल्पों की तुलना में काफी कम प्रतिरोध के साथ आयनों को यात्रा करने की अनुमति देता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि झिल्ली ने बैटरी के भीतर यातायात के संतुलन को बदल दिया। एक विशिष्ट बैटरी में, धनात्मक लिथियम आयन और ऋणात्मक आयन (anions) दोनों चलते हैं, लेकिन ऋणात्मक आयन अक्सर बाधा डालते हैं, जिससे प्रक्रिया धीमी हो जाती है। नई झिल्ली में आयरन और टाइटेनियम स्थल एक टोल बूथ की तरह कार्य करते हैं जो ऋणात्मक आयनों को रोककर रखते हैं, जिससे उन्हें वहीं रुकने के लिए मजबूर किया जाता है। इससे लिथियम आयनों को बहुत अधिक कुशलता से चलने का रास्ता मिल गया, जिससे किसी भी दिए गए क्षण में मानक सेपरेटर की तुलना में गुजरने वाले लिथियम आयनों की संख्या प्रभावी रूप से दोगुनी हो गई।
किसी भी बैटरी घटक के लिए सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण यह है कि वह तनाव, विशेष रूप से गर्मी के तहत कैसा व्यवहार करता है। मानक प्लास्टिक सेपरेटर लगभग 110 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होने पर खतरनाक रूप से सिकुड़ने और विकृत होने लगते हैं, और अक्सर पूरी तरह से पिघल जाते हैं जिससे बैटरी विफल हो जाती है। नए मेम्ब्रेन ने, जो कठोर मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क द्वारा सुदृढ़ है, असाधारण थर्मल स्थिरता दिखाई। जब शोधकर्ताओं ने सेपरेटर को एक घंटे के लिए 160 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, तो यह केवल 5.8 प्रतिशत सिकुड़ा, जबकि एक मानक सेपरेटर 71 प्रतिशत सिकुड़ गया और पिघल गया। सीधी लौ के परीक्षण में, मानक प्लास्टिक सेपरेटर एक सेकंड से भी कम समय में आग पकड़ लेता है और हिंसक रूप से जल उठता है। इसके विपरीत, नया मेम्ब्रेन तीन सेकंड से अधिक समय तक आग का प्रतिरोध करता है और फिर खुद बुझ जाता है, जो अग्नि सुरक्षा का एक ऐसा स्तर प्रदर्शित करता है जो इलेक्ट्रिक वाहनों में थर्मल रनवे को रोकने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
यह देखने के लिए कि क्या ये भौतिक सुधार वास्तविक दुनिया के बैटरी प्रदर्शन में परिवर्तित होते हैं, टीम ने लिथियम आयरन फॉस्फेट नामक एक सामान्य कैथोड सामग्री का उपयोग करके पूर्ण बैटरी सेल असेंबल किए। उन्होंने परीक्षण किया कि ये बैटरियां विभिन्न गति और तापमान पर कितनी अच्छी तरह चार्ज और डिस्चार्ज होती हैं। मध्यम चार्जिंग गति पर, नया सेपरेटर मानक सेपरेटरों का उपयोग करने वाली बैटरियों की तुलना में उच्च क्षमता प्रदान करता है। असली परीक्षण उच्च गति पर आया; जब चार्जिंग दर को दस गुना बढ़ा दिया गया, तो नए सेपरेटर वाली बैटरी ने 118 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम की क्षमता बनाए रखी, जबकि मानक बैटरी घटकर केवल 72 रह गई। तीव्र चार्जिंग के दौरान प्रदर्शन बनाए रखने की यह क्षमता नए मेम्ब्रेन द्वारा प्रदान किए गए सुचारू आयन प्रवाह का सीधा परिणाम है। इसके अलावा, बैटरी ने अविश्वसनीय दीर्घायु दिखाई। 500 चार्जिंग चक्रों के ऊपर, इसने अपनी मूल क्षमता का 92 प्रतिशत से अधिक बनाए रखा, जिसकी दक्षता प्रति चक्र लगभग 99.8 प्रतिशत थी। यहाँ तक कि जब तापमान बढ़ाकर 80 डिग्री सेल्सियस कर दिया गया, तब भी बैटरी ने लगभग बिना किसी क्षमता हानि के काम करना जारी रखा, जो एक ऐसा कार्य है जिसे करने में मानक बैटरियां संघर्ष करती हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि लंबे समय तक उपयोग के बाद बैटरी के अंदर क्या होता है। मानक सेपरेटरों वाली बैटरियों में, ऋणात्मक इलेक्ट्रोड अक्सर लिथियम धातु के खुरदरे, असमान जमाव विकसित करता है, जो तीखे स्पाइक्स के रूप में बढ़ सकते हैं जो सेपरेटर को भेद देते हैं और शॉर्ट सर्किट का कारण बनते हैं। नए आयरन-टाइटेनियम मेम्ब्रेन का उपयोग करने वाली बैटरियों में, लिथियम समान रूप से और सुचारू रूप से जमा हुआ, जिससे सेपरेटर बरकरार रहा और दरारों से मुक्त रहा। यह एकरूपता बताती है कि मेम्ब्रेन ने सफलतापूर्वक आयनों को एक सुसंगत पैटर्न में उतरने के लिए निर्देशित किया, जिससे उस खतरनाक संचय को रोका जा सका जो विफलता का कारण बनता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सेपरेटर की सतह को इंजीनियर करके जो बैटरी के भीतर रसायनों के साथ सक्रिय रूप से बातचीत करती है, एक साथ कई समस्याओं को हल करना संभव है: सुरक्षा में सुधार करना, तेज़ चार्जिंग को सक्षम करना और बैटरी के जीवन को बढ़ाना। यह दृष्टिकोण केवल आयनों को रोकने से आगे बढ़कर उनके सफर को सक्रिय रूप से प्रबंधित करने की ओर बढ़ता है, जो भविष्य के लिए सुरक्षित और अधिक शक्तिशाली ऊर्जा भंडारण का एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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