Limiting internal short-circuit damage by self-fusing tabs for high-safety lithium-ion batteries
यह शोध पत्र एक कम-गलनांक वाले In-Sn मिश्र धातु का उपयोग करते हुए एक स्व-फ्यूजिंग टैब आर्किटेक्चर प्रस्तुत करता है जो आंतरिक शॉर्ट सर्किट होने पर दोषपूर्ण इलेक्ट्रोड परतों को तेजी से विद्युत रूप से अलग कर देता है, जिससे उच्च-ऊर्जा लिथियम-आयन बैटरी में थर्मल रनवे को प्रभावी ढंग से रोका जा सकता है और तापमान वृद्धि को सीमित किया जा सकता है।
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हमारे इलेक्ट्रिक कारों को चलाने और ग्रिड के लिए ऊर्जा संचय करने वाली चिकनी, शक्तिशाली बैटरियों के भीतर एक मौन खतरा छिपा है। ये उपकरण कई पतली परतों से बनी सामग्रियों से बने होते हैं जो ताश के पत्तों की गड्डी की तरह एक के ऊपर एक रखी होती हैं, जो बिजली को रोकने और छोड़ने के लिए मिलकर काम करती हैं। जब इनके भीतर कोई सूक्ष्म दोष उत्पन्न होता है, जैसे कि कोई सूक्ष्म दरार या धातु का कोई भटकता हुआ टुकड़ा, तो यह बिजली के प्रवाह के लिए एक सीधा रास्ता बना सकता है जहाँ उसे नहीं बहना चाहिए। इसे आंतरिक शॉर्ट सर्किट (internal short circuit) कहा जाता है। एक सामान्य बैटरी में, यह दोष एक नाले की तरह कार्य करता है, जो इसके आसपास की स्वस्थ परतों से ऊर्जा खींच लेता है। बिजली उस कमजोर बिंदु से होकर तेजी से गुजरती है, जिससे एक सेकंड के अंश में तीव्र गर्मी पैदा होती है। यदि यह गर्मी उतनी तेजी से बढ़ती है जितनी तेजी से यह बाहर निकल सकती है, तो यह एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) को जन्म देती है जहाँ बैटरी की सामग्रियां टूटने लगती हैं, ऑक्सीजन छोड़ती हैं और आग पकड़ लेती हैं। यह अनियंत्रित प्रक्रिया एक छोटे, स्थानीय दोष को एक हिंसक आग में बदल सकती है जो पूरे सेल को अपनी चपेट में ले लेती है। दशकों से, इंजीनियर इसे रोकने के लिए सामग्रियों को अधिक मजबूत बनाने या समस्या की चेतावनी देने के लिए सेंसर जोड़ने का प्रयास करते रहे हैं, लेकिन ये तरीके अक्सर बहुत धीरे प्रतिक्रिया करते हैं या ऊर्जा के प्रवाह को उसके स्रोत पर रोकने के बजाय केवल अनिवार्य आपदा को टालने का काम करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक अलग दृष्टिकोण प्रस्तावित किया है जो सीधे बैटरी के हृदय में बने एक स्व-रीसेट होने वाले फ्यूज (self-resetting fuse) की तरह कार्य करता है। गर्मी का सामना करने या चेतावनी संकेत का इंतजार करने के बजाय, उनका डिज़ाइन खतरनाक शॉर्ट सर्किट शुरू होते ही बिजली की आपूर्ति को सक्रिय रूप से काट देता है। मुख्य नवाचार उन धातु के टैब (metal tabs) में निहित है जो बैटरी की आंतरिक परतों को जोड़ते हैं। एक मानक बैटरी में, ये टैब धातु के ठोस टुकड़े होते हैं जो बिजली का कुशलतापूर्वक संचालन करते हैं। नए डिज़ाइन में, शोधकर्ताओं ने इन टैब्स में से प्रत्येक में एक विशेष धातु मिश्र धातु (metal alloy) का एक छोटा खंड डाला है। इस मिश्र धातु को इसलिए चुना गया है क्योंकि यह अपेक्षाकृत कम तापमान पर पिघल जाती है और बिजली का बहुत अच्छा संचालन करती है। सामान्य परिस्थितियों में, बैटरी बिल्कुल वैसे ही काम करती है जैसा उसे करना चाहिए, जिसमें मिश्र धातु करंट के लिए एक आदर्श सेतु (bridge) के रूप में कार्य करती है। हालाँकि, यदि कोई गंभीर शॉर्ट सर्किट होता है, तो उस विशिष्ट परत के माध्यम से बहने वाला बिजली का अचानक उछाल लगभग तुरंत गर्मी उत्पन्न करता है। यह गर्मी उस मिश्र धातु के खंड को एक सेकंड से भी कम समय में पिघला देती है, जिससे धातु पिघलकर खुल जाती है और विद्युत संबंध को भौतिक रूप से तोड़ देती है।
शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह सरल यांत्रिक विच्छेद आपदा को रोकने में अविश्वसनीय रूप से प्रभावी है। जब उन्होंने एक मानक बैटरी में शॉर्ट सर्किट शुरू किया, तो उसके अंदर का तापमान तेजी से बढ़कर लगभग 386 डिग्री सेल्सियस हो गया, सेल फूल गया, घना धुआं निकला और आग लग गई। वोल्टेज पूरी तरह से गिर गया और आंतरिक सामग्रियां नष्ट हो गईं। इसके विपरीत, जब उन्होंने इन्हीं परीक्षणों को इन स्व-फ्यूजिंग टैब्स से लैस बैटरी पर किया, तो परिणाम पूरी तरह से अलग था। जैसे ही शॉर्ट सर्किट शुरू हुआ, करंट बढ़ा, मिश्र धातु पिघल गई और कनेक्शन कट गया। बैटरी का तापमान केवल लगभग 45 डिग्री सेल्सियस बढ़ा और फिर ठंडा होने लगा। न तो धुआं निकला, न ही आग लगी और न ही सेल फूला। वोल्टेज क्षण भर के लिए गिरा लेकिन फिर ठीक हो गया, जिससे बाकी बैटरी सुरक्षित रूप से कार्य करना जारी रख सकी। दोषपूर्ण परत को अलग कर दिया गया, जिससे ऊर्जा की आपूर्ति कट गई जो अन्यथा आग को बढ़ावा देती। जबकि शेष स्वस्थ परतें अपना काम जारी रख सकीं।
यह समझने के लिए कि यह इतना प्रभावी क्यों है, टीम को पहले यह सिद्ध करना था कि वास्तव में क्या बैटरी को 'थर्मल रनवे' (thermal runaway) की स्थिति में ले जाता है। उन्होंने पाया कि यदि एक क्षतिग्रस्त परत को बाकी बैटरी से अलग कर दिया जाए, तो वह अकेले इतनी गर्मी उत्पन्न नहीं कर सकती कि विनाशकारी विफलता का कारण बन सके। भले ही शॉर्ट सर्किट ने करंट में भारी उछाल पैदा किया हो, जब तक क्षतिग्रस्त परत अपने पड़ोसियों से कटी रही, तापमान कम रहा। खतरा केवल तब उत्पन्न होता है जब स्वस्थ, समानांतर-जुड़ी परतें दोषपूर्ण स्थान में ऊर्जा पंप करना जारी रखती हैं। बिजली का यह निरंतर प्रवाह तापमान को तब तक बढ़ाता है जब तक कि बैटरी की आंतरिक रसायन विज्ञान अस्थिर न हो जाए। इस प्रवाह को बिल्कुल शुरुआत में ही रोककर, स्व-फ्यूजिंग टैब गर्मी को उस महत्वपूर्ण बिंदु तक पहुँचने से रोक देते हैं जहाँ बैटरी की सामग्रियां विघटित होने और ऑक्सीजन छोड़ने लगती हैं।
यह डिज़ाइन बैटरी बनाने की व्यावहारिक चुनौतियों का भी समाधान करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मिश्र धातु के खंड को इतना पतला होना चाहिए कि वह जल्दी पिघल सके, लेकिन इतना मजबूत भी होना चाहिए कि निर्माण प्रक्रिया में जीवित रह सके। उन्होंने पाया कि 25 से 40 माइक्रोमीटर मोटा एक स्तर सही संतुलन प्रदान करता है, जो दोष के दौरान एक सेकंड के भीतर पिघल जाता है। सामान्य उपयोग के दौरान बैटरी के रसायनों के साथ प्रतिक्रिया से इस नाजुक मिश्र धातु को बचाने के लिए, उन्होंने इसे एपॉक्सी (epoxy) की एक अत्यंत पतली परत से ढका। इस कोटिंग ने टैब को बहुत मजबूत बना दिया, जिससे यह असेंबली के दौरान शारीरिक तनाव को बिना टूटे सहने में सक्षम हुआ, जबकि बिजली को स्वतंत्र रूप से गुजरने दिया। परीक्षणों से पता चला कि इन टैब्स वाली बैटरियां सैकड़ों चार्ज चक्रों के बाद भी सामान्य बैटरियों की तरह ही प्रदर्शन करती हैं, अपनी क्षमता और दक्षता बनाए रखती हैं।
शोधकर्ताओं ने इस अवधारणा का परीक्षण विभिन्न कठोर परिस्थितियों में किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह वास्तविक दुनिया में काम करेगा। उन्होंने अत्यधिक विद्युत शोषण (electrical abuse) के तहत बैटरियों को मजबूर शॉर्ट सर्किट करवाकर और क्रैश या पंचर का अनुकरण करने के लिए कोशिकाओं में नुकीली और गोल वस्तुओं को दबाकर यांत्रिक शोषण (mechanical abuse) के तहत इनका परीक्षण किया। हर उस मामले में जहाँ एक खतरनाक, उच्च-करंट वाला शॉर्ट सर्किट हुआ, टैब पिघल गए और दोष को अलग कर दिया। यहाँ तक कि जब यांत्रिक क्षति इतनी गंभीर थी कि शॉर्ट सर्किट होने लगा, तब भी बैटरी स्थिर रही जब तक कि करंट इतना अधिक था कि फ्यूज को सक्रिय कर सके। दिलचस्प बात यह है कि यदि यांत्रिक क्षति ने केवल एक कमजोर, कम-करंट वाला शॉर्ट सर्किट बनाया, तो टैब नहीं पिघले। यह एक महत्वपूर्ण विशेषता है क्योंकि इसका अर्थ है कि बैटरी मामूली, हानिरहित गड़बड़ियों के लिए अनावश्यक रूप से बंद नहीं होती है। यह प्रणाली स्मार्ट है और यह अंतर कर सकती है कि कौन सा संपर्क मामूली है और कौन सा जीवन के लिए खतरा पैदा करने वाला उछाल है, और यह तभी हस्तक्षेप करती है जब खतरा वास्तविक हो।
इस अध्ययन ने यह भी खोजा कि इस तकनीक को बड़ी बैटरियों के लिए कैसे बढ़ाया जा सकता है। हर एक परत में फ्यूज लगाने के बजाय, जिससे निर्माण जटिल हो जाता, टीम ने दिखाया कि परतों के समूह एक ही फ्यूज को साझा कर सकते हैं। एक परीक्षण में जहाँ उन्होंने एक बैटरी को तीन भागों में विभाजित किया, एक भाग में हुए शॉर्ट सर्किट ने उस पूरे भाग के फ्यूज को सक्रिय कर दिया, जिससे वह भाग अलग हो गया जबकि अन्य दो भाग सामान्य रूप से कार्य करते रहे। यह मॉड्यूलर दृष्टिकोण बताता है कि इस तकनीक को उत्पादन की कठिनाई में भारी वृद्धि किए बिना बड़े बैटरी पैक के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने छह अलग-अलग प्रकार की व्यावसायिक बैटरी केमिस्ट्री में इस सुरक्षा तंत्र का परीक्षण किया, और हर मामले में, स्व-फ्यूजिंग टैब्स ने थर्मल रनवे को सफलतापूर्वक रोका, जिससे चरम तापमान को 45 डिग्री सेल्सियस से नीचे रखा गया, जबकि उसी परीक्षण में मानक बैटरियों का तापमान 400 डिग्री सेल्सियस से अधिक पहुँच गया।
यह कार्य बैटरी सुरक्षा के प्रति हमारे सोचने के तरीके में एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। निष्क्रिय सामग्रियों पर निर्भर रहने के बजाय जो गर्मी का प्रतिरोध करने की कोशिश करती हैं या बाहरी प्रणालियों पर जो समस्या शुरू होने के बाद पता लगाने की कोशिश करती हैं, यह दृष्टिकोण सीधे बैटरी की संरचना में एक सक्रिय रक्षा (active defense) का निर्माण करता है। यह स्वीकार करता है कि दोष होंगे और उन्हें तुरंत नियंत्रित करने का एक तरीका प्रदान करता है। खतरनाक शॉर्ट सर्किट बनते ही ऊर्जा की आपूर्ति को काटकर, बैटरी उस श्रृंखला अभिक्रिया को शुरू होने से पहले ही रोक देती है। परिणाम स्वरूप, एक ऐसी बैटरी प्राप्त होती है जो उन दुर्व्यवहारों से भी बच सकती है जो सामान्यतः आग का कारण बनते हैं, जो आधुनिक जीवन के लिए आवश्यक उच्च-ऊर्जा उपकरणों के लिए सुरक्षा का एक नया स्तर प्रदान करती है।
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