Effect of metallic Sn addition on the high-voltage discharge performance of NiF₂ cathodes for thermal batteries
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अल्ट्रासोनिक फैलाव के माध्यम से 10 wt% धात्विक Sn का इष्टतम परिचय, शुद्ध सामग्री की तुलना में थर्मल बैटरी के लिए NiF₂ कैथोड की उच्च-वोल्टेज डिस्चार्ज क्षमता को लगभग 110.8% बढ़ाकर, 540°C पर 262.86 mAh g⁻¹ प्राप्त करता है।
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एक ऐसी शक्ति स्रोत की कल्पना करें जो दशकों तक निष्क्रिय, अछूता और बिना चार्ज किए पड़ा रहता है, जो केवल गर्मी के एक क्षण के लिए जागने का इंतज़ार करता है। यह थर्मल बैटरी की दुनिया है, जो विशेष ऊर्जा उपकरण हैं जिनका उपयोग उन स्थितियों में किया जाता है जहाँ विश्वसनीयता सर्वोपरि होती है और समय को सेकंड में मापा जाता है। स्मार्टफोन में इस्तेमाल होने वाली रिचार्जेबल बैटरी के विपरीत, जो तरल रसायनों पर निर्भर करती हैं, ये बैटरी इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पिघले हुए लवणों (मोल्टन साल्ट्स) का उपयोग करती हैं। वे कमरे के तापमान पर निष्क्रिय और स्थिर रहती हैं, लेकिन जब एक पायरोटेक्निक हीटर उन्हें गर्म करता है, तो लवण पिघल जाते हैं, आयन बहने लगते हैं, और बैटरी लगभग तुरंत शक्ति का एक बड़ा विस्फोट प्रदान करती है। दशकों से, इंजीनियर ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो इस अत्यधिक, उच्च-तापमान वाले वातावरण में अधिक ऊर्जा रख सकें और इसे उच्च वोल्टेज पर वितरित कर सकें। एक आशाजनक उम्मीदवार निकल फ्लुओराइड नामक एक यौगिक है, जो एक उच्च विद्युत दबाव (इलेक्ट्रिकल पुश) प्रदान करने वाला पदार्थ है, लेकिन सक्रिय होने के बाद उस ऊर्जा को स्वतंत्र रूप से बहने देने में संघर्ष करता है।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने निकल फ्लुओराइड में धातु के पाउडर की सूक्ष्म मात्रा मिलाकर इस प्रवाह की समस्या को हल करने का प्रयास किया। लक्ष्य सरल था: यह खोजने का तरीका जिससे बिजली बैटरी के कोर से अधिक आसानी से गुजर सके, बिना उस उच्च वोल्टेज को खोए जो इस सामग्री को इतना मूल्यवान बनाता है। टीम ने चांदी, कोबाल्ट, निकल और टिन सहित कई अलग-अलग धातुओं का परीक्षण किया, और उन्हें निकल फ्लुओराइड पाउडर में दो अलग-अलग विधियों का उपयोग करके मिलाया। एक विधि में सामग्री को इथेनॉल के थोड़े से अंश के साथ एक साथ पीसना शामिल था, जबकि दूसरी विधि ने कणों को तरल में फैलाने के लिए उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों (अल्ट्रासोनिक) का उपयोग किया और फिर उन्हें सुखा दिया। मिलाने के बाद, पाउडर को उच्च तापमान पर गर्म किया गया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे काम करने वाली बैटरी के भीतर की तीव्र स्थितियों के लिए तैयार हैं।
परिणामों से पता चला कि सभी धातुएं या मिश्रण विधियां समान नहीं थीं। हालांकि चांदी ने उच्चतम प्रारंभिक वोल्टेज उत्पन्न किया, लेकिन यह लंबे समय तक बैटरी के आउटपुट को बनाए रखने में विफल रही। वास्तविक सफलता टिन के उपयोग से मिली। जब शोधकर्ताओं ने निकल फ्लुओराइड में टिन की एक विशिष्ट मात्रा मिलाई, तो बैटरी की ऊर्जा देने की क्षमता बिना संशोधित सामग्री की तुलना में दोगुनी से अधिक हो गई। विशेष रूप से, दस प्रतिशत भार के अनुसार टिन युक्त एक नमूने ने 2.0 वोल्ट के कटऑफ वोल्टेज तक 262.86 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम की क्षमता प्रदान की। इसके विपरीत, बिना किसी एडिटिव के शुद्ध निकल फ्लुओराइड ने समान परिस्थितियों में केवल 124.67 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम क्षमता दिखाई। यह लगभग 110.8 प्रतिशत की वृद्धि है, जो प्रदर्शन में एक महत्वपूर्ण उछाल है जो बताता है कि टिन ने विद्युत धारा के यात्रा करने के लिए बेहतर मार्ग बनाने में मदद की।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि सामग्री के मिश्रण का तरीका उतना ही महत्वपूर्ण था जितने कि स्वयं सामग्री। अल्ट्रासोनिक फैलाव (डिस्पर्सन) के साथ तैयार किए गए नमूनों ने, जो पाउडर के ढेलों को अधिक प्रभावी ढंग से तोड़ते थे, साधारण पीसने (ग्राइंडिंग) से बने नमूनों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया। शोधकर्ताओं ने देखा कि अल्ट्रासोनिक रूप से उपचारित नमूनों में कणों का वितरण अधिक समान था, जिससे संभवतः टिन ने निकल फ्लुओराइड के दानों को अधिक कुशलता से जोड़ने में मदद की। हालांकि, टिन की मात्रा और बैटरी के प्रदर्शन के बीच का संबंध एक सीधी रेखा में नहीं था। बहुत कम टिन जोड़ने से केवल मामूली सुधार हुआ, जबकि बहुत अधिक जोड़ने से प्रदर्शन वास्तव में कम हो गया। 'स्वीट स्पॉट' दस प्रतिशत पर पाया गया; टिन को पंद्रह प्रतिशत तक बढ़ाने से क्षमता गिर गई, जो यह दर्शाता है कि सक्रिय सामग्री को भीड़भाड़ से बचाने के लिए एक सटीक संतुलन की आवश्यकता होती है।
महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि टिन जोड़ने का प्राथमिक लाभ शुरुआती वोल्टेज में उछाल नहीं था, जो वास्तव में थोड़ा कम हो गया था, बल्कि लंबे समय तक उच्च वोल्टेज बनाए रखने की क्षमता थी। शुद्ध निकल फ्लुओराइड ने मजबूत शुरुआत की लेकिन जल्दी ही दम तोड़ दिया, जबकि टिन-संशोधित संस्करण ने अपना आधार बनाए रखा, डिस्चार्ज चक्र के दौरान भी शक्ति की एक स्थिर धारा प्रदान की। टीम ने एक्स-रे विश्लेषण के माध्यम से पुष्टि की कि हीटिंग प्रक्रिया के बाद टिन अपने धात्विक रूप में बना रहा, जो एक कार्यात्मक कंपोजिट बनाने के लिए निकल फ्लुओराइड के साथ सह-अस्तित्व में था। हालांकि कि टिन प्रवाह में कैसे सुधार करता है इसका सटीक सूक्ष्म तंत्र पूरी तरह से मैप नहीं किया गया था, लेकिन साक्ष्य स्पष्ट रूप से एक संरचनात्मक सुधार की ओर इशारा करते हैं जहाँ धातु का एडिटिव बैटरी के प्राकृतिक प्रतिरोध को दूर करने में मदद करता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सावधानीपूर्वक एक चालक एडिटिव का चयन करके और उसे मिलाने के तरीके को अनुकूलित करके, यह संभव है कि उच्च-वोल्टेज बैटरी सामग्रियों के भीतर संग्रहीत ऊर्जा के एक बहुत बड़े हिस्से को अनलॉक किया जा सके, जिससे वे थर्मल पावर पर निर्भर मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए अधिक प्रभावी बन सकें।
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