Atomic-Layer-Deposited ZnF2 on Al Enabling in situ NaF/Na–Zn Interphase for Robust Anode-Free Sodium Batteries

बैटरी आधुनिक जीवन के मौन इंजन हैं, जो स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक कारों तक सब कुछ संचालित करती हैं। इनके मूल में एक सरल लेकिन कठिन प्रक्रिया निहित है: आयनों नामक छोटे आवेशित कणों को दो पक्षों के बीच आगे-पीछे ले जाना। एक मानक बैटरी में, एक पक्ष धातु का भंडार रखता है, जबकि दूसरा पक्ष एक गंतव्य के रूप में कार्य करता है। जब बैटरी चार्ज होती है, तो धातु के आयन खाली पक्ष की ओर बढ़ते हैं और वहां पेंट की एक परत की तरह जम जाते हैं। जब यह डिस्चार्ज होती है, तो वे अपने मूल घर वापस लौट आते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने धातु के भंडार को पूरी तरह से हटाकर बेहतर बैटरी बनाने की कोशिश की है, जिसे "एनोड-फ्री" (anode-free) डिज़ाइन के रूप में जाना जाता है। यह दृष्टिकोण कम जगह में अधिक ऊर्जा भरने और विनिर्माण लागत को कम करने का वादा करता है। हालांकि, पहले से मौजूद धातु की परत के बिना, आयनों को पहली बार एक नग्न धातु की शीट पर उतरना पड़ता है। यह एक कठिन कार्य है। आयन अक्सर एक अव्यवस्थित, असमान ढेर के रूप में पहुँचते हैं, जिससे नुकीली संरचनाएं बन जाती हैं जो बैटरी के आंतरिक अवरोधों को भेद सकती हैं और इसे जल्दी विफल कर सकती हैं। चुनौती एक ऐसी सतह खोजने की रही है जो इन आयनों को सुचारू रूप से उतरने और बिना किसी नुकसान के वहां टिके रहने के लिए आमंत्रित करे।

कोरिया और जर्मनी के संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बैटरी के सतह को मौलिक रूप से बदलकर इस समस्या को हल करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एल्युमीनियम पर ध्यान केंद्रित किया, जो बैटरी के अंदर वर्तमान कलेक्टर बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली एक सामान्य धातु है। अपने आप में, एल्युमीनियम सोडियम आयनों (जो इस नई पीढ़ी की बैटरी में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट प्रकार के धातु हैं) को स्वीकार करने के प्रति स्वाभाविक रूप से प्रतिरोधी है। यह प्रतिरोध आयनों को एक अराजक, असमान तरीके से उतरने के लिए मजबूर करता है, जिससे उन नुकीली संरचनाओं का विकास होता है जो बैटरी के जीवन को नष्ट कर देती हैं। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे एल्युमीनियम को एक विशिष्ट, अत्यंत पतली परत से लेपित कर सकें, तो वे आयनों के व्यवहार को बदल सकते हैं। उन्होंने जिंक फ्लोराइड नामक सामग्री को चुना और इसे 'एटॉमिक लेयर डिपोजिशन' (atomic layer deposition) नामक तकनीक का उपयोग करके लगाया। यह विधि इतनी पतली फिल्म बनाने की अनुमति देती है जिसे नैनोमीटर में मापा जाता है, फिर भी यह एल्युमीनियम फॉयल की पूरी सतह को पूरी तरह से कवर करती है, जैसे कि एक दूसरी त्वचा जो हर छोटे उभार और खांचे का अनुसरण करती है।

वास्तविक नवाचार उस समय होता है जब बैटरी को असेंबल किया जाता है और पहली बार चालू किया जाता है। जब बैटरी चार्ज होना शुरू होती है, तो जिंक फ्लोराइड कोटिंग केवल वहां बैठी नहीं रहती; यह आने वाले सोडियम आयनों के साथ प्रतिक्रिया करती है। यह प्रतिक्रिया कोटिंग को बाहर से भीतर की ओर रूपांतरित कर देती है। जिंक फ्लोराइड टूट जाता है और एल्युमीनियम की सतह पर ही एक नई, दोहरी-परत वाली संरचना में पुनर्गठित हो जाता है। इस नई परत का एक हिस्सा सोडियम-जिंक मिश्र धातु (alloy) बन जाता है, जो आने वाले आयनों के लिए एक स्वागत योग्य मैट की तरह कार्य करता है, जिससे उन्हें समान रूप से उतरने के लिए प्रोत्साहित किया जाता है। दूसरा हिस्सा सोडium फ्लोराइड से समृद्ध एक परत बन जाता है, जो एक मजबूत और स्थिर सामग्री के रूप में जानी जाती है। यह नव-निर्मित सतह एक सुरक्षात्मक ढाल के रूप में कार्य करती है जो आयनों को खतरनाक स्पाइक्स (नुकीले उभारों) के रूप में जमा होने के बजाय सुचारू रूप से फैलने के लिए निर्देशित करती है। परिणाम स्वरूप एक ऐसी बैटरी प्राप्त होती है जो उस आंतरिक क्षति के बिना बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज हो सकती है जो आमतौर पर इसके जीवन को छोटा कर देती है।

यह परिवर्तन हो रहा था, इसे सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले कुछ चक्रों के बाद बैटरी के घटकों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि एल्युमीनियम फॉयल, जो चमकदार, धात्विक उपस्थिति के साथ शुरू हुआ था, एक समान काले रंग में बदल गया था, जो इसकी सतह की रसायनिकी में पूर्ण परिवर्तन का संकेत देता है। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक विश्लेषण उपकरणों का उपयोग करते हुए, उन्होंने पुष्टि की कि मूल जिंक फ्लोराइड वास्तव में इच्छित सोडियम-जिंक मिश्र धातु और सोडियम फ्लोराइड के मिश्रण में परिवर्तित हो गया था। टीम ने देखा कि नई सतह अविश्वसनीय रूप से एकसमान थी, जिसमें कोई अंतराल या कमजोर बिंदु नहीं थे। यह एकरूपता महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसका अर्थ था कि सोडियम आयन फंसने या खतरनाक डेंड्राइट्स (dendrites) बनाने के बजाय सतह पर घूम सकते हैं।

इस नए डिज़ाइन के प्रदर्शन का परीक्षण वास्तविक दुनिया के उपयोग की नकल करने वाली सख्त स्थितियों के तहत किया गया। उन परीक्षणों में जहाँ बैटरी को तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज किया गया, संशोधित एल्युमीनियम फॉयल ने बैटरी को उल्लेखनीय निरंतरता के साथ चार्ज बनाए रखने की क्षमता प्रदान की। जबकि एक मानक एल्युमीनियम फॉयल बैटरी कुछ दर्जन चक्रों के बाद ही प्रदर्शन बनाए रखने में संघर्ष करती है, संशोधित संस्करण सैकड़ों चक्रों तक सुचारू रूप से काम करना जारी रखता है। शोधकर्ताओं ने चार्ज ट्रांसफर की दक्षता को मापा, जिससे पता चला कि सतह पर उतरने वाले लगभग सभी आयन बिना किसी नुकसान के अपने शुरुआती बिंदु पर वापस लौटने में सक्षम थे। दक्षता का यह उच्च स्तर एनोड-फ्री बैटरी में दुर्लभ है और यह सुझाव देता है कि नया सतह सफलतापूर्वक उन पार्श्व प्रतिक्रियाओं को रोकता है जो आमतौर पर ऊर्जा को कम करती हैं।

टीम ने इस संशोधित फॉयल को एक उच्च-प्रदर्शन वाली कैथोड सामग्री के साथ जोड़कर पूर्ण बैटरी सेल भी बनाए। ये पूर्ण सेल उच्च मात्रा में ऊर्जा प्रदान करने में सक्षम थे और तेज़ चार्जिंग गति पर संचालित होने पर भी लंबे समय तक अपनी क्षमता बनाए रखते थे। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि बैटरी सेल तब भी स्थिर रहे जब सक्रिय सामग्री की मात्रा को वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के उपयुक्त स्तर तक बढ़ाया गया। उन्होंने एक लचीला पाउच सेल बनाया यह प्रदर्शित करने के लिए कि यह तकनीक इलेक्ट्रिक वाहनों में पाई जाने वाली बैटरी के समान प्रारूप में काम कर सकती है। पाउच सेल ने निरंतर कार्य किया, जिससे पता चलता है कि यह पद्धति केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है बल्कि व्यावहारिक ऊर्जा भंडारण के लिए एक व्यवहार्य मार्ग है।

यह कार्य इसलिए विशिष्ट है क्योंकि यह एनोड-फ्री डिज़ाइन में बैटरी विफलता के मूल कारण को संबोधित करता है: आयनों का असमान उतरना। इस समस्या को ठीक करने के पिछले प्रयासों में अक्सर एल्युमीनियम को धातु की मोटी परतों से लेपित करना या ऐसी अस्त-व्यस्त मिश्रणों का उपयोग करना शामिल था जो सतह को समान रूप से कवर नहीं करते थे। उन विधियों ने ऐसे अंतराल छोड़ दिए जहाँ आयन अभी भी हानिकारक स्पाइक्स बना सकते थे। इसके विपरीत, यह नया दृष्टिकोण एक सटीक, परमाणु-दर-परमाणु कोटिंग प्रक्रिया का उपयोग करता है ताकि एक ऐसी सतह बनाई जा सके जो रासायनिक और भौतिक रूप से एकसमान हो। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि स्वागत योग्य मिश्र धातु परत और एक मजबूत सुरक्षात्मक परत का विशिष्ट संयोजन ही अंतर पैदा करता है। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि प्रारंभिक कोटिंग की मोटाई मायने रखती है; यदि यह बहुत पतली है, तो यह पर्याप्त सुरक्षा प्रदान नहीं कर सकती है, और यदि यह बहुत मोटी है, तो यह बैटरी के प्रदर्शन को धीमा कर देती है। सटीक सही मोटाई पाकर, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो सुरक्षा और गति के बीच संतुलन बनाती है।

निष्कर्षों से सोडियम बैटरी में सुधार के लिए एक स्पष्ट मार्ग का पता चलता है, जिन्हें आज उपयोग की जाने वाली लिथियम बैटरी के सस्ते और प्रचुर विकल्प के रूप में देखा जाता है। एक नग्न सतह पर आयनों के उतरने की समस्या को हल करके, यह शोध भारी धातु एनोड की आवश्यकता के बिना उच्च-ऊर्जा, लंबे समय तक चलने वाली बैटरी बनाने के एक बड़े अवरोध को हटा देता है। यह पद्धति एक ऐसी प्रक्रिया पर निर्भर करती है जिसे बढ़ाया (scale up) जा सकता है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग अंततः बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण या इलेक्ट्रिक परिवहन के लिए बैटरी बनाने के लिए किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि धातु और इलेक्ट्रोलाइट के बीच के इंटरफेस को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, यह संभव है कि एक समस्याग्रस्त, नुकीली प्रक्रिया को एक सुचारू, विश्वसनीय प्रक्रिया में बदल दिया जाए। बैटरी सतह की तैयारी के तरीके में यह सरल लेकिन शक्तिशाली परिवर्तन एनोड-फ्री सोडियम बैटरी की पूर्ण क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी हो सकता है।