Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

ऊर्जा भंडारण आधुनिक दुनिया की वह शांत रीढ़ है जो सूर्य और पवन से संचालित होती है। जब सूरज चमकता है या हवा चलती है, तो बिजली को संचित करना और बाद में उपयोग के लिए रोकना आवश्यक होता है, एक ऐसा कार्य जो वर्तमान में लिथियम-आयन बैटरियों के वर्चस्व में है। जबकि ये बैटरियां हमारे फोन और कारों को शक्ति प्रदान करती हैं, वे उन सामग्रियों पर निर्भर करती हैं जिन्हें खनन करना महंगा है और जिनमें अक्सर ज्वलनशील तरल पदार्थ होते हैं जो आग पकड़ सकते हैं। इसलिए वैज्ञानिक सुरक्षित, सस्ते विकल्पों की तलाश कर रहे हैं जो पूरे शहरों को शक्ति देने के लिए आवश्यक विशाल पैमाने को संभाल सकें। एक आशाजनक उम्मीदवार जलीय जिंक-आयन बैटरी है। ये उपकरण ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए पानी आधारित तरल पदार्थों का उपयोग करते हैं, जो उन्हें स्वाभाविक रूप से सुरक्षित बनाते हैं और प्रचुर, कम लागत वाली सामग्रियों से निर्मित करते हैं। हालांकि, एक युवा पेड़ की तरह जो बहुत तेजी से बढ़ता है, इन बैटरियों के भीतर मौजूद जिंक अक्सर डेंड्राइट्स नामक नुकीले, सुई जैसे स्पाइक्स (शिखरों) का निर्माण करता है। ये स्पाइक्स बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक पक्षों के बीच के अवरोध को भेद सकते हैं, जिससे बैटरी विफल हो सकती है या शॉर्ट-सर्किट हो सकती है। इन बैटरियों को उपयोगी होने के लिए पर्याप्त लंबे समय तक चलाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन स्पाइक्स को बढ़ने से रोकने और बैटरी की आंतरिक संरचना को अक्षुण्ण रखने का तरीका खोजना होगा।

झिंजियांग विश्वविद्यालय और तियानजिन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया अवरोध, या सेपरेटर विकसित किया है, जिसे विशेष रूप से इस समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सिंथेटिक प्लास्टिक या ग्लास फाइबर का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने प्रकृति की ओर रुख किया, और पूरी तरह से कपास से बना एक सेपरेटर तैयार किया। उन्होंने सेल्यूलोज के दो रूपों को मिलाया, जो पौधों की कोशिका भित्तियों का मुख्य संरचनात्मक घटक है: कपास की लुगदी के रेशे (कॉटन पल्प फाइबर्स) और माइक्रोफाइब्रिलेटेड सेल्यूलोज। कपास की लुगदी लंबी, माइक्रोन-स्केल के रेशे प्रदान करती है, जबकि माइक्रोफाइब्रिलेटेड सेल्यूलोज नैनो-स्केल के सूक्ष्म धागों से बना होता है। इन दोनों सामग्रियों को मिलाकर और उन्हें वैक्यूम के माध्यम से छानकर, शोधकर्ताओं ने एक घना, बुना हुआ मैट बनाया। इस मैट में एक पदानुक्रमित (hierarchical) संरचना है, जिसका अर्थ है कि इसमें अलग-अलग आकार के छिद्र हैं जो मिलकर काम करते हैं। बड़े छिद्र तरल इलेक्ट्रोलाइट को तेजी से बहने देते हैं, जबकि सूक्ष्म रेशों का घना नेटवर्क बढ़ते जिंक स्पाइक्स के खिलाफ एक मजबूत ढाल के रूप में कार्य करता है।

इस दृष्टिकोण के परिणामों को प्रयोगशाला में अत्यधिक सटीकता के साथ मापा गया। नया कपास-आधारित सेपरेटर उल्लेखनीय रूप से मजबूत साबित हुआ, जिसकी तन्य शक्ति (tensile strength) 23.36 मेगापास्कल थी, जो वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले मानक ग्लास फाइबर सेपरेटरों के 0.2 मेगापास्कल से कहीं अधिक है। यह मजबूती महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बैटरी को असेंबल करते समय या जब जिंक स्पाइक्स इसे धकेलने की कोशिश करते हैं, तो सेपरेटर को फटने से रोकती है। इस सामग्री ने बैटरी के तरल इलेक्ट्रोलाइट को कुशलतापूर्वक सोख लिया और जिंक आयनों को इसके माध्यम से सुचारू रूप से गुजरने दिया। जब शोधकर्ताओं ने बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज करने की क्षमता का परीक्षण किया, तो अंतर स्पष्ट था। नए कपास सेपरेटर से लैस एक बैटरी एक स्थिर करंट पर 1,200 घंटों से अधिक समय तक चली, जबकि मानक ग्लास फाइबर सेपरेटर वाली बैटरी केवल 400 घंटों के बाद विफल हो गई। यहाँ तक कि अधिक कठिन परिस्थितियों में भी, जहाँ बैटरी से एक छोटे स्थान में बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए कहा गया था, कपास सेपरेटर ने बिना विफल हुए 200 घंटों से अधिक समय तक काम किया, जबकि ग्लास फाइबर संस्करण 100 घंटों से भी कम समय में शॉर्ट-सर्किट हो गया।

परीक्षण के बाद बैटरियों को करीब से देखने पर पता चला कि कपास सेपरेटर इतना अच्छा प्रदर्शन क्यों कर रहा था। मानक ग्लास फाइबर सेपरेटर वाले बैटरियों में, जिंक धातु असमान, खुरखे स्पाइक्स के रूप में बढ़ी जिसने सेपरेटर को नुकसान पहुँचाया और एक अस्त-व्यस्त सतह बना दी। इसके विपरीत, कपास सेपरेटर वाली बैटरियों ने जिंक की एक चिकनी, सपाट परत दिखाई, जो यह संकेत देती है कि धातु खतरनाक स्पाइक्स बनाने के बजाय समान रूप से जमा हो रही थी। कपास की सामग्री ने अनचाहे रासायनिक उपोत्पादों के निर्माण को कम करने में भी मदद की जो बैटरी को जाम कर सकते हैं। जब शोधकर्ताओं ने सकारात्मक पक्ष के लिए वैनेडियम-आधारित सामग्री का उपयोग करके एक पूर्ण बैटरी बनाई, तो कपास सेपरेटर ने 100 चक्रों के बाद लगभग 83 प्रतिशत क्षमता बनाए रखी, जबकि मानक सेपरेटर ने क्षमता को गिरकर केवल 17 प्रतिशत तक पहुँचा दिया। 1,200 चक्रों के बाद भी, उच्च गति पर, कपास सेपरेटर वाली बैटरी ने 92.4 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम की विशिष्ट क्षमता बनाए रखी।

यह कार्य सुझाव देता है कि कपास से बनी एक सरल, बायोडिग्रेडेबल सामग्री एक धातु बैटरी के कठोर वातावरण में जटिल सिंथेटिक विकल्पों से बेहतर प्रदर्शन कर सकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि लंबे रेशों और सूक्ष्म नैनोफाइबर्स के संयोजन ने एक ऐसी संरचना बनाई जो स्पाइक्स को रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत और ऊर्जा के प्रवाह के लिए पर्याप्त छिद्रपूर्ण (porous) थी। हालांकि लेख में उल्लेख किया गया है कि अत्यंत उच्च-गति चार्जिंग के लिए और अधिक अनुकूलन की आवश्यकता है, फिर भी ये निष्कर्ष एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। एक नवीकरणीय संसाधन का उपयोग करके जो पहले से ही प्रचुर और सस्ता है, यह दृष्टिकोण ऊर्जा भंडारण के भविष्य के लिए सुरक्षित, लंबे समय तक चलने वाली बैटरियां बनाने का एक टिकाऊ तरीका प्रदान करता है।