Electrolyte Composition Governs Polysulfide Shuttling and Electrochemical Stability in Li/FeS₂ Batteries: Organic, Ionic Liquid, and Hybrid Electrolytes Compared

बैटरी आधुनिक दुनिया के मौन इंजन हैं, जो हमारी जेबों में रखे फोन से लेकर सड़कों पर दौड़ने वाली इलेक्ट्रिक कारों तक, सब कुछ संचालित करती हैं। इनके मूल में एक सरल लेकिन चुनौतीपूर्ण कार्य निहित है: ऊर्जा को संग्रहीत करने और मुक्त करने के लिए एक सेल के दो सिरों के बीच आयन नामक सूक्ष्म आवेशित कणों को आगे-पीछे ले जाना। दशकों से, वैज्ञानिक एक विशिष्ट सामग्री, आयरन पाइराइट (iron pyrite) का पीछा कर रहे हैं, ताकि इसे इन सिरों में से एक के रूप में उपयोग किया जा सके। प्रकृति में प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला और अक्सर "मूर्खों का सोना" (fool's gold) कहा जाने वाला यह खनिज, आज की मानक बैटरी में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की तुलना में कहीं अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने का वादा करता है, और यह सब इसे बनाने में सस्ता और सुरक्षित होने के साथ में होता है। हालांकि, एक निरंतर समस्या ने इस सामग्री को प्रयोगशाला तक ही सीमित रखा है। जब बैटरी काम करती है, तो आयरन पाइराइट छोटे टुकड़ों में टूट जाता है जो सेल के भीतर के तरल में घुल जाते हैं। ये घुले हुए टुकड़े फिर बैटरी के दूसरी ओर जाने के लिए भटक जाते हैं, जिससे एक रासायनिक शॉर्ट सर्किट होता है जो ऊर्जा को नष्ट कर देता है, बैटरी को संक्षारित (corrode) करता है, और समय के साथ इसकी चार्ज रखने की क्षमता को खत्म कर देता है।

नॉरफ़ॉक स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अलग-अलग तरल पदार्थों का परीक्षण करके इस "भटकने वाली समस्या" को हल करने का प्रयास किया, ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा तरल इन घुले हुए टुकड़ों को अपने स्थान पर बनाए रख सकता है। वे जानते थे कि बैटरी के भीतर का तरल, जिसे इलेक्ट्रोलाइट (electrolyte) कहा जाता है, आयनों के लिए एक राजमार्ग की तरह कार्य करता है लेकिन एक विलायक (solvent) की तरह भी कार्य करता है जो बैटरी की सक्रिय सामग्रियों को घोल सकता है। अधिकांश बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक तरल पदार्थ आयनों को स्थानांतरित करने में बहुत अच्छे होते हैं, लेकिन वे अनचाहे टुकड़ों को घोलने में भी बहुत कुशल होते हैं, जिससे समस्या और बढ़ जाती है। दूसरी ओर, एक नए प्रकार का तरल, जो कमरे के तापमान पर तरल रहने वाले लवणों (salts) से बना होता है, इन टुकड़ों को घोलने में बहुत खराब है, लेकिन यह इतना गाढ़ा और सुस्त है कि यह बैटरी के प्रदर्शन को धीमा कर देता है। शोधकर्ताओं ने सोचा कि क्या वे इन दो बहुत अलग तरल पदार्थों को मिलाकर दोनों का सर्वश्रेष्ठ परिणाम प्राप्त कर सकते हैं: एक ऐसा तरल जो आयनों को तेजी से चला सके लेकिन हानिकारक टुकड़ों को बाहर निकलने से रोक सके।

उत्तर खोजने के लिए, टीम ने आयरन पाइराइट को सकारात्मक सिरे के रूप में और लिथियम धातु की एक पट्टी को नकारात्मक सिरे के रूप में उपयोग करते हुए, सिक्के के आकार के छोटे बैटरी सेल बनाए। उन्होंने इन सेल्स के तीन समूह तैयार किए, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग तरल भरा गया था। पहले समूह में एक मानक, पतले कार्बनिक तरल का उपयोग किया गया। दूसरे समूह में, गाढ़े, नमक-आधारित आयनिक तरल का उपयोग किया गया। तीसरे समूह ने एक कस्टम मिश्रण का उपयोग किया, जिसमें पतले कार्बनिक तरल और गाढ़े आयनिक तरल को समान भागों में मिलाया गया था। बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज करने से पहले ही, उन्होंने शक्तिशाली एक्स-रे मशीनों और लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके यह पुष्टि की कि उनके सेल्स में मौजूद आयरन पाइराइट शुद्ध और संरचनात्मक रूप से सुदृढ़ था, ताकि वे एक स्वच्छ आधार से शुरुआत कर सकें।

जब उन्होंने बैटरी को चक्रित (cycling) करना शुरू किया, तो प्रदर्शन में अंतर स्पष्ट हो गया। मानक पतले तरल से भरे सेल्स ने बहुत जल्दी अपनी चार्ज रखने की क्षमता खो दी। आयरन पाइराइट के घुले हुए टुकड़े स्वतंत्र रूप से भटक गए, जिससे बैटरी तेजी से खराब होने लगी। गाढ़े आयनिक तरल से भरे सेल्स ने शुरुआत में अपना चार्ज बेहतर तरीके से बनाए रखा क्योंकि गाढ़े तरल ने घुले हुए टुकड़ों को उनके स्रोत के पास ही रोक दिया, जिससे उन्हें भटकने से रोका जा सका। हालांकि, जैसे-जैसे चक्रण जारी रहा, इस गाढ़े तरल की सुस्ती ने ऊर्जा को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने की बैटरी की क्षमता में बाधा डालना शुरू कर दिया, और अंततः प्रदर्शन लड़खड़ा गया। हालांकि, मिश्रित तरल ने एक अलग कहानी सुनाई। इस मिश्रण का उपयोग करने वाले सेल्स ने सबसे सुचारू और सुसंगत वोल्टेज पैटर्न उत्पन्न किए, जो यह दर्शाता है कि उनके भीतर की रासायनिक प्रतिक्रियाएं एक नियंत्रित और व्यवस्थित तरीके से हो रही थीं। इस मिश्रण ने घुले हुए टुकड़ों को दूर भटकने से रोकने में सफलता पाई और साथ ही बैटरी को ऊर्जा कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने की अनुमति भी दी।

यह समझने के लिए कि वास्तव में अंदर क्या हो रहा था, शोधकर्ताओं ने कुछ चक्रों के बाद बैटरियों को अलग किया और किसी भी घुले हुए पदार्थ को निकालने के लिए उनके आंतरिक घटकों को एक स्पष्ट विलायक (solvent) में भिगो दिया। इसके बाद उन्होंने इन विलयनों के माध्यम से प्रकाश प्रवाहित किया ताकि यह माप सकें कि आयरन पाइराइट का ठीक कितना हिस्सा घुला है और वह कहाँ पहुँचा है। परिणाम चौंकाने वाले थे। मानक तरल वाले सेल्स में, आयरन पाइराइट से लगभग बीस प्रतिशत सल्फर घुल गया था और सिस्टम में खो गया था। गाढ़े आयनिक तरल वाले सेल्स में, यह हानि घटकर लगभग पंद्रह प्रतिशत रह गई। लेकिन मिश्रित तरल वाले सेल्स में, यह हानि सबसे कम, केवल तेरह प्रतिशत से थोड़ी अधिक थी। इसका अर्थ था कि हाइब्रिड दृष्टिकोण ने मानक तरल की तुलना में सक्रिय सामग्री के नुकसान को लगभग एक-तिहाई अधिक रोका।

यह अध्ययन सुझाव देता है कि मिश्रण ने केवल दो तरल पदार्थों के गुणों का औसत निकालने से कहीं अधिक किया। इसके बजाय, संयोजन ने एक ऐसा अनूठा वातावरण बनाया जहाँ घुले हुए टुकड़े आयरन पाइराइट के पास ही बने रहे लेकिन प्रभावी रूप से बैटरी के पार जाने से रुक गए। इस "स्थानीयकरण" (localization) ने हानिकारक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित रखा, जिससे आयरन पाइराइट की संरचना सुरक्षित रही और बैटरी बिना विफल हुए अधिक बार चक्रित हो सकी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह हाइब्रिड तरल एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि एक ऐसा इलेक्ट्रोलाइट डिजाइन करना संभव है जो उच्च प्रदर्शन के लिए पर्याप्त तेज़ भी हो और आंतरिक क्षरण को रोकने के लिए पर्याप्त प्रतिबंधात्मक भी हो, जिसने वर्षों से आयरन पाइराइट बैटरियों को परेशान किया है। इन प्रतिस्पर्धी आवश्यकताओं को संतुलित करके, टीम ने प्रचुर और सस्ते रूप से उपलब्ध सामग्रियों का उपयोग करके उच्च-क्षमता वाली, लंबे समय तक चलने वाली बैटरियों को बनाने का एक व्यवहार्य मार्ग प्रदर्शित किया।