Multifunctional BN-Enabled Li7La3Zr2O12 Composite Electrolytes with Enhanced Toughness and Ionic Conductivity

बैटरी आधुनिक जीवन के मौन इंजन हैं, जो स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक कारों तक सब कुछ संचालित करती हैं। हर बैटरी के भीतर, एक तरल या जेल आवेशित कणों को ले जाता है, जिससे ऊर्जा का प्रवाह अंदर और बाहर हो पाता है। हालाँकि, ये तरल पदार्थ ज्वलनशील और रिसाव के प्रति संवेदनशील हो सकते हैं, जिससे सुरक्षा जोखिम पैदा होते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से एक बेहतर समाधान की तलाश में रहे हैं: एक ठोस बैटरी जो तरल के स्थान पर एक ठोस सामग्री का उपयोग करे। यह बदलाव बैटरियों को सुरक्षित, अधिक ऊर्जा धारण करने वाली और लंबे समय तक चलने वाला बनाने का वादा करता है। इसे सफल बनाने की कुंजी एक ऐसी ठोस सामग्री खोजना है जो तरल की तरह ही बिजली का संचालन कर सके और साथ ही खतरनाक आंतरिक शॉर्ट सर्किट को रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत भी बनी रहे। एक आशाजनक सामग्री लिथियम, लैंथेनम और जिरकोनियम से बनी एक सिरेमिक है। जबकि यह आयनों का अच्छा संचालन करती है, यह स्वाभाविक रूप से भंगुर होती है, जैसे कि चाक का एक टुकड़ा जो दबाव पड़ने पर टूट जाता है। यदि इसमें दरार आती है, तो बैटरी विफल हो जाती है। इसके अलावा, इस सिरेमिक को कुशलतापूर्वक कार्य करने के लिए पर्याप्त सघन बनाने के लिए आमतौर पर इसे कई घंटों तक अत्यधिक उच्च तापमान पर पकाने की आवश्यकता होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके कारण बैटरी की आवश्यक लिथियम वाष्पित हो जाती है और अंतिम उत्पाद को कमजोर कर देती है।

खलीफा यूनिवर्सिटी और चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के शोधकर्ताओं ने भंगुरता और विनिर्माण हानि की इन दोहरी समस्याओं को हल करने के लिए एक नई विधि विकसित की है। उन्होंने हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (एक सिरेमिक जिसे इसकी मजबूती और ताप प्रतिरोध के लिए जाना जाता है) की एक सूक्ष्म मात्रा को लिथियम-आधारित सिरेमिक में मिलाकर एक मिश्रित सामग्री (कंपोजिट मटेरियल) बनाई। पारंपरिक, धीमे ओवन के बजाय, उन्होंने 'अल्ट्राफास्ट जूल हीटिंग' नामक तकनीक का उपयोग किया। यह विधि सीधे सामग्री के माध्यम से एक शक्तिशाली विद्युत धारा प्रवाहित करती है, जिससे इसे केवल तीस सेकंड में लगभग 1,000 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है। यह तीव्र प्रक्रिया लिथियम को भागने से पहले ही उसके भीतर लॉक कर देती है, जबकि मिलाया गया बोरॉन नाइट्राइड एक शक्तिशाली सहायक के रूप में कार्य करता है। परिणाम स्वरूप एक ऐसा ठोस इलेक्ट्रोलाइट प्राप्त हुआ जो पिछले संस्करणों की तुलना में काफी अधिक मजबूत और सुचालक है, जो सुरक्षित, उच्च-प्रदर्शन वाली सॉलिड-स्टेट बैटरियों की ओर एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।

टीम ने सिरेमिक पाउडर में बोरॉन नाइट्राइड एडिटिव की विभिन्न मात्रा मिलाकर शुरुआत की। उन्होंने पाया कि केवल एक छोटा सा हिस्सा, विशेष रूप से भार के अनुसार 0.5 प्रतिशत मिलाने से सबसे अच्छे परिणाम मिले। जब उन्होंने इस मिश्रण को अल्ट्राफास्ट हीटिंग प्रक्रिया के अधीन किया, तो सामग्री एक घने, ठोस डिस्क के रूप में जुड़ गई। इसके विपरीत, पारंपरिक, धीमी हीटिंग विधियों से बनी नमूनों में छिद्र और कमजोरी देखी गई। तीव्र हीटिंग ने लिथियम को वाष्पशील होने, यानी गैस में बदलने से रोका, जो मानक विनिर्माण में एक आम समस्या है। बोरॉन नाइट्राइड ने केवल संरचना को थामे रखने का काम ही नहीं किया; इसने लिथियम कार्बोनेट की एक जिद्दी परत के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया भी की जो हवा के संपर्क में आने पर सिरेमिक की सतह पर स्वाभाविक रूप से बनती है। इस प्रतिक्रिया ने इंसुलेटिंग (कुचालक) कार्बोनेट को एक नए यौगिक, लिथियम बोरेट में बदल दिया, जो वास्तव में आयनों को अधिक स्वतंत्र रूप से चलने में मदद करता है। इस रासायनिक परिवर्तन ने सामग्री के भीतर बिजली के प्रवाह में एक प्रमुख बाधा को हटा दिया।

सामग्री के भौतिक गुणों में सुधार नाटकीय था। मूल सिरेमिक, बिना किसी एडिटिव के, की टफनेस (मजबूती) का मान लगभग 5.8 मेगाजूल प्रति घन मीटर था। यह इस बात का माप है कि कोई सामग्री टूटने से पहले कितनी ऊर्जा अवशोषित कर सकती है। थोड़े से बोरॉन नाइट्राइड और तेज़ हीटिंग प्रक्रिया के जुड़ने के साथ, यह टफनेस बढ़कर लगभग 70.2 मेगाजूल प्रति घन मीटर हो गई। यह सामग्री की बिना टूटे तनाव सहने की क्षमता में बारह गुना वृद्धि का प्रतिनिधित्व करता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि बोरॉन नाइट्राइड के कण छोटे पुलों की तरह कार्य करते हैं, जो सिरेमिक के माध्यम से दरारों को फैलने से रोकते हैं। साथ ही, विद्युत प्रदर्शन में भी सुधार हुआ। जिस गति से लिथियम आयन सामग्री के माध्यम से गुजर सकते हैं, जिसे आयनिक चालकता कहा जाता है, वह 4.48 x 10⁻⁶ सीमेंस प्रति सेंटीमीटर से बढ़कर 1.1 x 10⁻⁵ सीमेंस प्रति सेंटीमीटर हो गई। यह 2.5 गुना वृद्धि है, जिसका अर्थ है कि बैटरी अधिक कुशलता से चार्ज और डिस्चार्ज हो सकती है।

जब शोधकर्ताओं ने अपनी अल्ट्राफास्ट विधि की पारंपरिक सिंटरिंग से तुलना की, तो लाभ और भी स्पष्ट हो गए। धीमी, पारंपरिक विधि से बने नमूनों में आयनों के प्रवाह के प्रति उच्च प्रतिरोध देखा गया और वे यांत्रिक रूप से कमजोर थे। उन्हें आयनों को धकेलने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी और उनके दबाव में विफल होने की संभावना अधिक थी। हालांकि, अल्ट्राफास्ट-सिंटर्ड नमूनों ने प्रतिरोध में महत्वपूर्ण कमी और मजबूती में उल्लेखनीय वृद्धि दिखाई। टीम ने सामग्री की तापीय स्थिरता का भी परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि नया कंपोजिट मूल सिरेमिक की तुलना में गर्म होने पर बहुत कम वजन खोता है, जो यह दर्शाता है कि विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान लिथियम बेहतर तरीके से सुरक्षित रहा। यह प्रतिधारण (रिटेंशन) महत्वपूर्ण है क्योंकि लिथियम का नुकसान समय के साथ बैटरी की ऊर्जा संग्रहीत करने की क्षमता को कमजोर करता है। अध्ययन ने पुष्टि की कि बोरॉन नाइट्राइड ने न केवल संरचना को सुदृढ़ किया बल्कि ग्रेन बाउंड्रीज़ (ग्रेन बाउंड्रीज़, जो उन सूक्ष्म क्रिस्टल के बीच के इंटरफेस हैं जिनसे सिरेमिक बना होता है) को भी सक्रिय रूप से साफ किया, जिससे आयनों के यात्रा करने के लिए चिकने मार्ग बन सके।

इस दृष्टिकोण की सफलता एडिटिव के सटीक संतुलन और हीटिंग की गति पर निर्भर करती है। बहुत अधिक बोरॉन नाइट्राइड जोड़ने से, जैसे कि 10 प्रतिशत, वास्तव में प्रदर्शन को नुकसान पहुँचा। अतिरिक्त एडिटिव आपस में गुच्छे बना लेते थे, जिससे रिक्त स्थान और गैस के पॉकेट बन जाते थे जो सामग्री को सघन होने से रोकते थे। इससे एक ऐसी सामग्री बनी जो कमजोर थी और जिसकी विद्युत चालकता खराब थी। 'स्वीट स्पॉट' (सबसे उपयुक्त स्तर) 0.5 प्रतिशत की बहुत कम सांद्रता पर पाया गया, जो सिरेमिक की अखंडता को बाधित किए बिना लाभकारी रासायनिक प्रतिक्रियाओं और संरचनात्मक सुदृढीकरण को शुरू करने के लिए पर्याप्त था। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह विधि सिरेमिक के थोड़े अलग संस्करण के साथ भी काम करती है, जो यह सुझाव देता है कि यह तकनीक बहुमुखी है। एक बहुक्रियात्मक एडिटिव को एक अल्ट्राफास्ट प्रोसेसिंग तकनीक के साथ जोड़कर, टीम ने ऐसे सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स बनाने का तरीका दिखाया है जो यांत्रिक रूप से मजबूत और इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से कुशल दोनों हैं। यह कार्य भंगुरता और लिथियम हानि की महत्वपूर्ण बाधाओं को संबोधित करता है, जो सॉलिड-स्टेट बैटरियों को वास्तविक दुनिया के उपयोग के करीब लाने के लिए एक स्केलेबल रणनीति प्रदान करता है।