Effect of Ionic Liquid Incorporation on Sodium-Ion Conducting Gel Polymer Electrolytes Based on PVDF-HFP and Sodium Triflate

ऊर्जा भंडारण उपकरण, हमारे जेब में रखे फोन से लेकर हमारी सड़कों पर चलने वाली कारों तक, एक महत्वपूर्ण घटक पर निर्भर करते हैं जिसे इलेक्ट्रोलाइट कहा जाता है। यह पदार्थ एक सेतु (ब्रिज) के रूप में कार्य करता है, जो बैटरी के धनात्मक और ऋणात्मक सिरों के बीच आवेशित कणों को गति करने की अनुमति देता है। दशकों से, तरल इलेक्ट्रोलाइट मानक रहे हैं क्योंकि वे आयनों को तेजी से गति करने देते हैं, लेकिन वे अपने साथ महत्वपूर्ण जोखिम भी लाते हैं: वे लीक हो सकते हैं, आग पकड़ सकते हैं, या बैटरी के हिस्सों को संक्षारित (corrode) कर सकते हैं। ठोस विकल्प मौजूद हैं और वे अधिक सुरक्षित हैं, लेकिन उन्हें अक्सर कुशलतापूर्वक आयनों का संचालन करने में संघर्ष करना पड़ता है, विशेष रूप से जब तापमान गिरता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने जेल पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट नामक एक हाइब्रिड दृष्टिकोण अपनाया है। एक स्पंज की कल्पना करें जो एक ठोस ढांचे के भीतर तरल को थामे रखता है; यह संरचना तरल की गतिशीलता के साथ ठोस की सुरक्षा प्रदान करती है, जो इसे बैटरी की अगली पीढ़ी के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाती है।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, श्रीलंका के उवा वेलस्सा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने यह जांचा कि सोडियम-आयन बैटरी के लिए इन जेल इलेक्ट्रोलाइट्स को और बेहतर कैसे बनाया जाए। सोडियम, लिथियम का एक आकर्षक विकल्प है क्योंकि यह अधिक प्रचुर और सस्ता है, लेकिन इसे कुशलतापूर्वक कार्य करने के लिए विशिष्ट सामग्रियों की आवश्यकता होती है। टीम ने PVDF-HFP नामक एक लचीली प्लास्टिक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो तरल पदार्थों को रोकने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है, और इसे आवेश ले जाने के लिए सोडियम साल्ट (नमक) के साथ मिलाया। प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए, उन्होंने एक विशेष प्रकार के साल्ट को पेश किया जिसे आयनिक तरल (ionic liquid) के रूप में जाना जाता है। खाना पकाने में उपयोग होने वाले साल्ट के विपरीत, जो कमरे के तापमान पर ठोस रहते हैं, आयनिक तरल ऐसे साल्ट हैं जो ठंडा होने पर भी तरल बने रहते हैं। इन्हें गैर-ज्वलनशील और ऊष्मा के तहत स्थिर होने के कारण पसंद किया जाता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या इस तरल साल्ट को प्लास्टिक और सोडियम के मिश्रण में जोड़ने से सोडियम आयनों के यात्रा करने के लिए एक सुगम मार्ग बनेगा, जिससे बैटरी की ऊर्जा संग्रहीत करने और मुक्त करने की क्षमता में सुधार होगा।

टीम ने प्लास्टिक, सोडियम साल्ट और आयनिक तरल की विभिन्न मात्राओं को मिलाकर कई नमूने तैयार किए। उन्होंने सामग्रियों को एक विलायक (solvent) में घोलने और फिर उसे वाष्पित होने देने की एक मानक विधि का उपयोग किया ताकि पीछे पतली, पारदर्शी फिल्में बच सकें। उन्होंने अलग-अलग अनुपातों वाली फिल्मों का परीक्षण किया, जिसमें कोई आयनिक तरल नहीं था से लेकर एक ऐसा मिश्रण जहाँ आयनिक तरल वजन का दो-तिहाई हिस्सा था। लक्ष्य वह आदर्श संतुलन खोजना था जहाँ सामग्री लचीली और मजबूत बनी रहे और साथ ही बिजली का संचालन भी यथासंभव बेहतर तरीके से करे। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने आयनिक तरल की मात्रा बढ़ाई, सामग्री अधिक जेल जैसी हो गई, फिर भी यह स्वतंत्र रूप से खड़ी रही और इसने अपना आकार नहीं खोया। सबसे सफल नमूने में वजन के अनुसार साठ प्रतिशत (67%) आयनिक तरल था। कमरे के तापमान पर, इस विशिष्ट मिश्रण ने 4.66 मिलीसीमेंस प्रति सेंटीमीटर की दर से बिजली का संचालन किया, जो कम तरल वाले नमूनों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। जब तापमान बढ़ाकर साठ डिग्री सेल्सियस किया गया, तो चालकता और भी बढ़ गई, जो 8.80 मिलीसीमेंस प्रति सेंटीमीटर तक पहुँच गई।

यह समझने के लिए कि यह मिश्रण इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, शोधकर्ताओं ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके सामग्री की संरचना के भीतर देखा, जो यह बताता है कि परमाणु कैसे व्यवस्थित होते हैं। उन्होंने पाया कि शुद्ध प्लास्टिक और केवल सोडियम साल्ट के साथ मिश्रित प्लास्टिक की एक कुछ हद तक व्यवस्थित, क्रिस्टलीय संरचना थी, जैसे ईंटों का सलीके से लगा हुआ ढेर। हालाँकि, जब आयनिक तरल डाला गया, तो यह व्यवस्था टूट गई। क्रिस्टल के स्पष्ट पैटर्न गायब हो गए, और उनकी जगह एक व्यापक, धुंधले संकेत ने ले ली जो एक अधिक अव्यवस्थित, एमोर्फस (amorphous) अवस्था का संकेत देती है। इस अव्यवस्थित अवस्था में, पॉलीमर श्रृंखलाएं कम कठोर होती हैं और उनके पास हिलने-डुलने के लिए अधिक स्थान होता है। यह बढ़ी हुई लचीलापन सोडियम आयनों को सामग्री के माध्यम से बहुत आसानी से गुजरने की अनुमति देती है, जो उच्च चालकता की व्याख्या करता है। आयनिक तरल ने मूल रूप से एक स्नेहक (lubricant) के रूप में कार्य किया, जिसने प्लास्टिक और साल्ट की सघन पैकिंग को बाधित किया और आयनों के यात्रा करने के लिए एक अधिक खुला वातावरण बनाया।

टीम ने यह भी जांचा कि गर्मी के तहत सामग्री कैसा व्यवहार करती है। डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (differential scanning calorimetry) नामक तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने उन तापमानों को मापा जिस पर सामग्री पिघलती है या अपनी अवस्था बदलती है। उन्होंने देखा कि आयनिक तरल जोड़ने से विभिन्न घटकों के पिघलने के बिंदु कम हो गए, जिससे यह पुष्टि हुई कि सामग्री कम कठोर और अधिक लचीली हो गई है। यह लचीलापन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आयनों को कम प्रतिरोध के साथ एक स्थान से दूसरे स्थान पर 'हॉप' (कूदने) करने की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, उन्होंने सामग्री के भीतर रासायनिक बंधों के कंपन को सुनने के लिए इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया। इन कंपनों में आए बदलावों ने दिखाया कि आयनिक तरल केवल मिश्रण में निष्क्रिय रूप से नहीं बैठा था; बल्कि वह प्लास्टिक और सोडियम साल्ट के साथ सक्रिय रूप से परस्पर क्रिया कर रहा था। इन अंतःक्रियाओं ने सोडियम साल्ट को व्यक्तिगत आयनों में तोड़ने में मदद की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि बिजली का संचालन करने के लिए अधिक चार्ज वाहक उपलब्ध हों।

अंत में, शोधकर्ताओं ने अपने नए इलेक्ट्रोलाइट्स की सुरक्षा और स्थायित्व का परीक्षण करने के लिए उन्हें गर्म करके देखा कि वे कब टूटने लगेंगे। परिणामों ने दिखाया कि सामग्रियां उल्लेखनीय रूप से स्थिर थीं, जो अपघटन (decomposition) के लक्षण दिखाने से पहले चार सौ डिग्री सेल्सियस तक के तापमान को सहन कर सकती थीं। हालांकि आयनिक तरल जोड़ने से उस तापमान में थोड़ी कमी आई जिस पर प्लास्टिक टूटना शुरू होता है, फिर भी सामग्री व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त स्थिर रही। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि जेल पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट में आयनिक तरल को शामिल करना एक अत्यधिक प्रभावी रणनीति है। यह सामग्री को एक कठोर, कम चालक ठोस से एक लचीले, उच्च चालक जेल में बदल देता है, बिना थर्मल स्थिरता से समझौता किए। यह खोज पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों तक सब कुछ चलाने वाले सुरक्षित, अधिक कुशल सोडियम-आयन बैटरी विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देती है।