3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपके घर की दीवारें, एक पुल के स्तंभ, या एक सड़क का फुटपाथ केवल भार सहने से कहीं अधिक कर सकें। वे बिजली भी संग्रहीत कर सकें, जो लाइटों, सेंसरों, या यहाँ तक कि पूरी इमारत को शक्ति प्रदान करने वाले विशाल, शांत बैटरी के रूप में कार्य कर सकें। 'स्ट्रक्चरल एनर्जी स्टोरेज' (संरचनात्मक ऊर्जा भंडारण) के रूप में जानी जाने वाली यह अवधारणा इंजीनियरों के लिए लंबे समय से एक सपना रही है। चुनौती हमेशा एक ऐसे पदार्थ को खोजने की रही है जो निर्माण के लिए पर्याप्त मजबूत हो और साथ ही बैटरी की तरह चार्ज भी रख सके। कंक्रीट और सीमेंट पृथ्वी पर सबसे आम निर्माण सामग्री हैं; वे सस्ते, अग्नि-प्रतिरोधी और अविश्वसनीय रूप से टिकाऊ होते हैं। हालाँकि, वे स्वाभाविक रूप से बिजली के संचालन में कमजोर होते हैं, जो एक बैटरी के काम करने के लिए आवश्यक है। पारंपरिक बैटरियाँ प्लास्टिक बाइंडर्स द्वारा जुड़े नाजुक रासायनिक मिश्रणों पर निर्भर करती हैं, जो संरचनात्मक बीम के रूप में कार्य करने के लिए बहुत नाजुक होते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने सीमेंट को बैटरी में बदलने की कोशिश की है, लेकिन इसके परिणाम अक्सर कमजोर रहे, जिसमें बहुत कम ऊर्जा संग्रहित होती थी या कुछ ही उपयोगों के बाद वे विफल हो जाते थे। लक्ष्य एक ऐसा पदार्थ बनाना रहा है जो एक चट्टान जैसी ठोस निर्माण सामग्री और एक उच्च-प्रदर्शन वाला ऊर्जा भंडारण उपकरण दोनों हो।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब सीमेंट से बैटरी को सफलतापूर्वक 3D प्रिंट करके इस वास्तविकता की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। एक मानक बैटरी डिजाइन को जबरदस्ती कंक्रीट में डालने के बजाय, उन्होंने एक नई विधि विकसित की जो बैटरी की आंतरिक संरचना बनाने के लिए सीमेंट की प्राकृतिक कठोरता प्रक्रिया का उपयोग करती है। उन्होंने पानी, सीमेंट और दो प्रकार की बैटरी सामग्रियों से बना एक विशेष 'इंक' (स्याही) तैयार किया: एक जो धनात्मक आवेश (positive charge) को संग्रहीत करती है और दूसरी जो ऋणात्मक आवेश (negative charge) को संग्रहीत करती है। उन्होंने बिजली के प्रवाह में मदद करने के लिए कार्बन कणों के एक सूक्ष्म नेटवर्क को भी इसमें मिलाया। जब इस स्याही को 3D प्रिंटर से बाहर निकाला जाता है, तो यह एक निरंतर आकार बनाती है। जैसे-जैसे सीमेंट सूखता और सख्त होता है, यह 'हाइड्रेशन' नामक एक रासायनिक प्रतिक्रिया से गुजरता है, जो एक खनिज कंकाल (mineral skeleton) बनाता है जो सब कुछ एक साथ लॉक कर देता है। यह कंकाल मजबूती प्रदान करता है, जबकि कार्बन नेटवर्क यह सुनिश्चित करता है कि बिजली स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सके। परिणाम एक ठोस, प्रिंट की गई वस्तु है जो निर्माण सामग्री के टुकड़े जैसी दिखती है और महसूस होती है, लेकिन एक पुन: चार्ज होने योग्य लिथियम-आयन बैटरी के रूप में कार्य करती है।

शोधकर्ताओं ने बैटरी के धनात्मक और ऋणात्मक दोनों पक्षों को प्रिंट करके और उन्हें एक पूर्ण सेल बनाने के लिए जोड़कर इस नए पदार्थ का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि बैटरी उल्लेखनीय रूप से अच्छी तरह से काम करती है। धीमी चार्जिंग गति पर परीक्षण किए जाने पर, धनात्मक पक्ष प्रति ग्राम 157.5 ऊर्जा इकाइयाँ संग्रहीत कर सका, और ऋणात्मक पक्ष 172.3 इकाइयाँ। ये संख्याएँ कई मानक वाणिज्यिक बैटरियों के तुलनीय हैं, जो यह सिद्ध करती हैं कि सीमेंट ने बैटरी सामग्रियों की रासायनिक गतिविधि को खराब नहीं किया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि बैटरी अविश्वसनीय रूप से मजबूत साबित हुई। दस हजार बार चार्ज और डिस्चार्ज होने के बाद भी, पूर्ण बैटरी ने अपनी मूल ऊर्जा क्षमता का 98.5 प्रतिशत बनाए रखा। स्थायित्व का यह स्तर बैटरी के लिए दुर्लभ है, विशेष रूप से उन बैटरियों के लिए जो इतनी खुरदरी और छिद्रपूर्ण सामग्री से बनी हों। अध्ययन ने दिखाया कि सीमेंट ढांचा वास्तव में बैटरी सामग्रियों की रक्षा करने में मदद करता है, जिससे उनके उपयोग के दौरान विस्तार और संकुचन के बावजूद वे स्थिर रहते हैं।

केवल चार्ज रखने के अलावा, इस सामग्री ने वास्तविक दुनिया के निर्माण के लिए आवश्यक सुरक्षा और बहुमुखीता का प्रदर्शन किया। पारंपरिक बैटरियों के विपरीत, जो ज्वलनशील तरल रसायनों और प्लास्टिक के पुर्जों का उपयोग करती हैं, यह सीमेंट-आधारित बैटरी गैर-ज्वलनशील खनिजों से बनी है। एक प्रत्यक्ष परीक्षण में, शोधकर्ताओं ने प्रिंट की गई बैटरी को दस मिनट तक लौ के संपर्क में रखा। वस्तु ने अपना आकार बनाए रखा, न तो पिघली और न ही उसमें आग लगी, जो एक ऐसे ताप प्रतिरोध स्तर को दर्शाता है जिसे प्लास्टिक-आधारित बैटरियाँ नहीं मिल सकतीं। 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया ने शोधकर्ताओं को जटिल आकार और मोटी परतें बनाने की अनुमति भी दी बिना बैटरी के विफल हुए। उन्होंने विभिन्न मोटाई के इलेक्ट्रोड प्रिंट किए, और बिजली मोटी परतों के माध्यम से भी उतनी ही अच्छी तरह से प्रवाहित हुई जितनी कि पतली परतों के माध्यम से। यह सुझाव देता है कि इन बैटरियों को इमारतों में जहाँ भी उनकी आवश्यकता हो, वहाँ सटीक रूप से फिट होने के लिए बड़े, कस्टम आकारों में प्रिंट किया जा सकता है, न कि उन्हें मानक आयताकार बक्सों में जबरन फिट किया जाए।

अध्ययन ने इस बात पर भी ध्यान दिया कि यह दृष्टिकोण अन्य प्रयासों की तुलना में क्यों सफल रहा। सीमेंट बैटरियों को बनाने के पिछले प्रयास अक्सर इसलिए विफल रहे क्योंकि सीमेंट बिजली की गति को बाधित कर देता था या नाजुक बैटरी रसायनों को तोड़ देता था। शोधकर्ताओं ने पाया कि सीमेंट, बैटरी सामग्री और कार्बन के मिश्रण को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, वे एक ऐसा नेटवर्क बना सकते हैं जहाँ सीमेंट मजबूती प्रदान करता है और कार्बन विद्युत राजमार्ग (electrical highway) प्रदान करता है। उन्होंने अपने सीमेंट-आधारित इंक की तुलना एल्युमीनियम ऑक्साइड या सिलिकॉन डाइऑक्साइड जैसे विभिन्न बाइंडर्स का उपयोग करने वाले अन्य मिश्रणों से की, और पाया कि सीमेंट संस्करण का प्रदर्शन सबसे अच्छा रहा। सीमेंट ने न केवल संरचना को एक साथ थामे रखा बल्कि आयनों (ions) के प्रवाह को बेहतर बनाने में भी मदद की, जो ऊर्जा ले जाने वाले सूक्ष्म आवेशित कण हैं। गुणों का यह अनूठा संयोजन यह सुनिश्चित करता है कि सामग्री केवल ऊर्जा का एक निष्क्रिय पात्र नहीं है, बल्कि ऊर्जा प्रणाली का एक सक्रिय, एकीकृत हिस्सा है।

यह कार्य निर्माण के भविष्य के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। यह केवल एक मानक बैटरी को दीवार के अंदर लगाने के विचार से आगे बढ़कर यह प्रस्तावित करता है कि दीवार स्वयं बैटरी हो सकती है। इन संरचनाओं को 3D प्रिंट करने की क्षमता का अर्थ है कि वास्तुकार और इंजीनियर निर्मित बिजली भंडारण के साथ इमारतों को डिजाइन कर सकते हैं, जो संरचना की विशिष्ट आकृति और आवश्यकताओं के अनुसार अनुकूलित हो। उपयोग की जाने वाली सामग्रियां सस्ती और व्यापक रूप से उपलब्ध हैं, और यह प्रक्रिया स्केलेबल (विस्तार योग्य) है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग इन ऊर्जा-संग्रहण घटकों की बड़ी मात्रा बनाने के लिए किया जा सकता है। हालांकि यह तकनीक अभी अनुसंधान के चरण में है, परिणाम दिखाते हैं कि सुरक्षा, मजबूती या प्रदर्शन से समझौता किए बिना निर्माण और ऊर्जा भंडारण की दुनिया को मिलाना संभव है। सीमेंट-आधारित बैटरी इस बात का प्रमाण है कि जिन सामग्रियों का उपयोग हम अपनी दुनिया बनाने के लिए करते हैं, वे इसे शक्ति भी दे सकती हैं।