Observation of electrical studies of Li-Ag by using the Sol-Gel Method

बैटरी आधुनिक जीवन के मौन इंजन हैं, जो हमारी जेबों में रखे फोन से लेकर हमारी सड़कों पर चलने वाली कारों तक, सब कुछ संचालित करती हैं। सबसे आम प्रकार की, लिथियम-आयन बैटरी के केंद्र में एक सरल लेकिन शक्तिशाली विचार है: ऊर्जा को संग्रहीत करने और मुक्त करने के लिए आयन नामक सूक्ष्म आवेशित कणों को आगे-पीछे घुमाना। लिथियम इस खेल का मुख्य सितारा है क्योंकि यह उपलब्ध सबसे हल्का धातु है, जो उपकरणों को अधिक वजन बढ़ाए बिना बहुत अधिक ऊर्जा धारण करने की अनुमति देता है। हालांकि, वैज्ञानिक लगातार इन बैटरियों को बेहतर, तेज़ और अधिक कुशल बनाने के तरीके खोज रहे हैं। इसे करने का एक तरीका बैटरी के भीतर की सामग्रियों में बदलाव करना है, अन्य तत्वों को मिलाना यह देखने के लिए कि वे बिजली के प्रवाह को कैसे बदलते हैं। लक्ष्य एक ऐसा नुस्खा खोजना है जो ऊर्जा को अधिक स्वतंत्र रूप से बहने दे, प्रतिरोध को कम करे और बैटरी के चार्ज को रोकने की क्षमता में सुधार करे।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ठीक इसी तरह के सुधार की खोज करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशिष्ट मिश्रण पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें लिथियम और चांदी शामिल थी, एक ऐसा संयोजन जिसकी विद्युत गुणों के लिए गहन जांच नहीं की गई थी। अपने नमूने तैयार करने के लिए, टीम ने 'सोल-जेल विधि' नामक तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि तरल सामग्रियों को तब तक मिलाया जाता है जब तक कि वे एक जेल में न बदल जाएं, जिसे फिर एक ठोस पाउडर बनाने के लिए सुखाया जाता है। यह प्रक्रिया सूक्ष्म स्तर पर विभिन्न रसायनों के बहुत समान मिश्रण की अनुमति देती है। शोधकर्ताओं ने लिथियम नाइट्रेट, सिल्वर नाइट्रेट और कॉपर नाइट्रेट की एक छोटी मात्रा के तरल घोलों से शुरुआत की। उन्होंने एक विशेष बाइंडिंग एजेंट जोड़ा, जो एक अणु है जो धातु आयनों को पकड़ने और उन्हें एक साथ रखने के लिए एक पंजे की तरह कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि सब कुछ पूरी तरह से मिश्रित रहे। इन घोलों को आपस में मिलाने के बाद, जब तक कि वे एक जेल के रूप में नहीं बदल गए, उन्होंने मिश्रण को 80 डिग्री सेल्सियस के गर्म तापमान पर सुखाया। परिणाम एक महीन, सूखा हुआ पाउडर था जो परीक्षण के लिए तैयार था।

सामग्रियां तैयार होने के बाद, वैज्ञानिकों को यह देखने की आवश्यकता थी कि उन्होंने वास्तव में क्या बनाया है। उन्होंने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो एक क्रिस्टल के माध्यम से एक विशिष्ट प्रकार की रोशनी चमकाने के समान है ताकि यह देखा जा सके कि परमाणु कैसे व्यवस्थित हैं। जो पैटर्न दिखाई दिए, उन्होंने पुष्टि की कि परमाणुओं ने स्वयं को एक व्यवस्थित, घन जैसी संरचना में व्यवस्थित किया है। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब उन्होंने मिश्रण में कॉपर मिलाया, तो परमाणु परतों के बीच की दूरी थोड़ी बदल गई, जो एक मानक मान से बदलकर थोड़ा बड़ा हो गया। इस छोटे से बदलाव ने उन्हें बताया कि विभिन्न परमाणुओं ने सफलतापूर्वक संरचना में एकीकरण किया है, जिससे इसके भौतिक आकार में एक अनुमानित तरीके से परिवर्तन आया है। उन्होंने रासायनिक संरचना की भी जांच की ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्रत्येक तत्व की सही मात्रा मौजूद है, जिससे पुष्टि हुई कि उनकी मिश्रण प्रक्रिया ने इच्छित रूप से कार्य किया है।

अगला कदम यह देखना था कि ये नई सामग्रियां बिजली के माध्यम से कैसे चलती हैं। टीम ने आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में, बहुत धीमी से लेकर बहुत तेज़ परिवर्तनों तक, और विभिन्न तापमानों पर विद्युत संकेतों के प्रति सामग्री की प्रतिक्रिया को मापा। उन्होंने पाया कि सामग्री की विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की क्षमता, जिसे डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक (dielectric constant) कहा जाता है, तब उच्चतम थी जब संकेत धीमे थे और तापमान कम था। जैसे-जैसे संकेत तेज हुए, ऊर्जा को संग्रहीत करने की यह क्षमता कम हो गई। यह व्यवहार उन सामग्रियों का विशिष्ट है जहाँ सूक्ष्म आवेश एक जगह फंस जाते हैं या "ध्रुवीकृत" हो जाते हैं, जिससे एक प्रकार का विद्युत घर्षण पैदा होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इस प्रक्रिया के दौरान कितनी ऊर्जा गर्मी के रूप में नष्ट होती है। उन्होंने देखा कि तापमान बढ़ने के साथ ऊर्जा की हानि बढ़ गई, जो यह सुझाव देता है कि सामग्री के भीतर आवेशों की गति गर्मी द्वारा संचालित होती है। यह तापीय गतिविधि एक प्रमुख संकेत है कि सामग्री इस तरह से व्यवहार कर रही है जो बैटरी अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकती है।

सामग्री के भीतर प्रतिरोध को समझने के लिए, टीम ने नाइक्विस्ट प्लॉट्स (Nyquist plots) नामक जटिल विद्युत पैटर्न देखे, जो यह दर्शाते हैं कि बिजली पाउडर के सूक्ष्म कणों और उनके बीच की सीमाओं के माध्यम से कैसे प्रवाहित होती है। कई सामग्रियों में, ये प्लॉट्स स्पष्ट अर्धवृत्त दिखाते हैं जो बताते हैं कि बिजली कितनी आसानी से गुजर सकती है। हालांकि, इस विशिष्ट अध्ययन में, लिथियम-सिल्वर नमूनों के प्लॉट्स ने ये अर्धवृत्त नहीं बनाए। इस अनुपस्थिति से पता चलता है कि परीक्षण किए गए तापमान पर ग्रेन बाउंड्रीज (grain boundaries) के भीतर कोई महत्वपूर्ण आंतरिक विश्रांति (relaxation) या विद्युत प्रवाह की धीमी गति नहीं थी। इसके बजाय, सामग्री ने एक स्थिर, तापीय रूप से सक्रिय चालन दिखाया, जिसका अर्थ है कि जैसे-जैसे सामग्री गर्म हुई, बिजली का गुजरना आसान हो गया, और प्रतिरोध कम हो गया।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि ये लिथियम-सिल्वर सामग्रियां, जिन्हें सोल-जेल विधि के माध्यम से बनाया गया है, बैटरी प्रदर्शन में सुधार के लिए आशाजनक उम्मीदवार हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि विद्युत गुण आवेशों की गति और सामग्री द्वारा गर्मी को संभालने के तरीके से अत्यधिक प्रभावित होते हैं। हालांकि लिथियम, सिल्वर और कॉपर के विशिष्ट मिश्रण ने कुछ अद्वितीय व्यवहार दिखाए, जैसे कि कुछ विश्रांति पैटर्न की कमी, समग्र परिणाम एक ऐसी सामग्री की ओर इशारा करते हैं जिसे बेहतर दक्षता के लिए ट्यून किया जा सकता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि इन सामग्रियों को कैसे मिलाया और सुखाया जाता है, इसे सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वैज्ञानिक विशिष्ट विद्युत गुणों वाली संरचनाएं बना सकते हैं। यह भविष्य के विकास के लिए आधार तैयार करता है, यह सुझाव देता है कि ये यौगिक ऊर्जा भंडारण उपकरणों की अगली पीढ़ी में भूमिका निभा सकते हैं, जिससे ऐसी बैटरियां बनाने में मदद मिल सकती है जो तेजी से चार्ज होती हैं और लंबे समय तक चलती हैं।