सोडियम-आयन बैटरी में पानी रखने से ऊर्जा भंडारण लगभग दोगुना हो जाता है

बैटरी रसायन विज्ञान में एक प्रति-सहज सफलता

कई वर्षों से, बैटरी निर्माताओं ने पानी को दुश्मन के रूप में माना है। पुनर्चालन बैटरी के विनिर्माण प्रक्रियाएं आमतौर पर नमी के किसी भी निशान को खत्म करने के लिए इलेक्ट्रोड सामग्री को उच्च तापमान पर सावधानीपूर्वक सूखना शामिल करती हैं। अब, University of Surrey के शोधकर्ताओं ने इस धारणा को उलट दिया है एक ऐसी खोज के साथ जो ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण के अर्थशास्त्र को फिर से आकार दे सकती है।

टीम ने पाया कि सोडियम-आयन बैटरी के कैथोड सामग्री में पानी के अणुओं को रखने से समान सामग्री के निर्जलित संस्करणों की तुलना में उनकी ऊर्जा भंडारण क्षमता लगभग दोगुनी हो जाती है। Journal of Materials Chemistry A में प्रकाशित निष्कर्ष सुझाते हैं कि बैटरी विनिर्माण के लिए उद्योग का मानक दृष्टिकोण महत्वपूर्ण प्रदर्शन लाभ को छोड़ रहा हो सकता है।

"सामग्री ने अपेक्षित से बहुत अधिक मजबूत प्रदर्शन और स्थिरता दिखाई," University of Surrey से प्रमुख शोधकर्ता Daniel Commandeur ने कहा। यह खोज सोडियम-आयन बैटरी के लिए एक आशाजनक मार्ग खोलती है, जिन्हें लंबे समय से अपने lithium-ion समकक्षों की ऊर्जा घनत्व से मेल खाने के लिए संघर्ष किया है, हालांकि लागत और स्थायित्व में आकर्षक लाभ प्रदान करते हैं।

सोडियम-आयन प्रदर्शन को पानी कैसे सुपरचार्ज करता है

सुधार के पीछे का तंत्र सुरुचिपूर्ण रूप से सरल है। अध्ययन में कैथोड nanostructured vanadate hydrate, या NVOH से बने थे। जब पानी के अणु सामग्री की क्रिस्टल संरचना में एम्बेड रहते हैं, तो वे कैथोड के भीतर परतों को थोड़ा विस्तृत करते हैं। यह विस्तारित रिक्ति चार्ज और निर्वहन चक्र के दौरान सोडियम आयनों को आगे-पीछे जाने के लिए अतिरिक्त जगह बनाती है।

इसे एक गोदाम में गलियारों को चौड़ा करने के समान सोचें। अधिक जगह के साथ, सोडियम आयन अधिक आजादी से और बड़ी संख्या में प्रवाहित हो सकते हैं, जिससे कैथोड प्रति चक्र अधिक चार्ज स्वीकार और जारी कर सकता है। पानी के अणु अनिवार्य रूप से संरचनात्मक स्तंभ के रूप में कार्य करते हैं, कैथोड की स्तरित वास्तुकला को खुला रखते हैं और इसे दोहराए गए चक्र के दौरान ढहने से रोकते हैं।

हाइड्रेटेड कैथोड सामग्री के साथ निर्मित परीक्षण बैटरी 400 से अधिक चार्ज चक्रों के लिए स्थिरता बनाए रखते थे, जो दर्शाता है कि पानी समय के साथ इलेक्ट्रोड को कम नहीं करता है या अस्थिर नहीं करता है। NVOH सामग्री को अब सोडियम-आयन बैटरी के लिए सर्वोत्तम-प्रदर्शन कैथोड सामग्री में माना जाता है, जो तकनीकों की एक वर्ग है जिसे शोधकर्ताओं और उद्योग ने स्थिर भंडारण अनुप्रयोगों के लिए lithium-ion के पूरक के रूप में तेजी से देखा है।

सोडियम-आयन बैटरी महत्वपूर्ण क्यों हैं

Lithium-ion बैटरी अच्छे कारण से पुनर्चालन बैटरी बाजार पर वर्चस्व रखती हैं। वे एक छोटे, हल्के पैकेज में भारी मात्रा में ऊर्जा पैक करते हैं, जिससे वे smartphones, laptops और electric vehicles के लिए आदर्श बन जाते हैं। लेकिन lithium के साथ समस्याएँ आती हैं। यह तत्व कुछ देशों में केंद्रित है, इसके खनन के लिए भारी मात्रा में पानी की आवश्यकता होती है, और lithium आपूर्ति श्रृंखलाओं की भू-राजनीतिक जटिलताएँ सरकारों और निर्माताओं के लिए समान रूप से एक बढ़ी हुई चिंता बन गई हैं।

इसके विपरीत, sodium पृथ्वी पर सबसे प्रचुर तत्वों में से एक है। इसे समुद्री जल से lithium खनन की लागत के एक अंश में निकाला जा सकता है, और sodium-ion बैटरी संचालित करने के लिए आमतौर पर सुरक्षित होती हैं, जिनमें thermal runaway और fire का कम जोखिम होता है। ये लाभ sodium-ion तकनीकों को विशेष रूप से बड़े पैमाने पर ग्रिड भंडारण के लिए आकर्षक बनाते हैं, जहां वजन और आकार लागत, सुरक्षा और आपूर्ति श्रृंखला लचीलेपन की तुलना में कम महत्वपूर्ण हैं।

समस्या हमेशा ऊर्जा घनत्व रही है। Sodium-ion बैटरी lithium-ion cells की तुलना में प्रति इकाई वजन या आयतन में काफी कम ऊर्जा भंडारित करती हैं, जिससे उनके व्यावहारिक अनुप्रयोग सीमित हैं। Surrey टीम की खोज, कैथोड क्षमता को लगभग दोगुना करके, इस अंतर को बंद करने की दिशा में एक सार्थक कदम उठाती है।

एक बोनस खोज: Desalination संभावनाएं

एक अप्रत्याशित मोड़ में, शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि उनकी हाइड्रेटेड कैथोड सामग्री एक desalination इलेक्ट्रोड के रूप में प्रभावी ढंग से काम करती है। जब एक electrochemical desalination सेटअप में उपयोग किया जाता है, तो NVOH सामग्री पानी से नमक को हटा सकती है जबकि साथ ही साथ ऊर्जा भंडारण भी करती है। यह दोहरे-उद्देश्य क्षमता बैटरी सिस्टम की रोचक संभावना उठाती है जो तटीय समुदायों में desalination संयंत्रों के साथ एकीकृत किए जा सकते हैं, समुद्री जल से संग्रहीत ऊर्जा और ताजे पानी दोनों का उत्पादन करते हैं।

जबकि ऐसे अनुप्रयोग अनुमानित रहते हैं, यह खोज पारंपरिक बैटरी उपयोग से परे सामग्री के लिए व्यापक संभावनाओं का संकेत देती है। उन क्षेत्रों में जहां स्वच्छ जल और विश्वसनीय ऊर्जा भंडारण दोनों ही तत्काल आवश्यकताएं हैं, एक ऐसी तकनीक जो दोनों चुनौतियों को एक साथ संबोधित करती है, रूपांतरकारी साबित हो सकती है।

वाणिज्यीकरण का रास्ता

खोज के तत्काल निहितार्थ बढ़ती sodium-ion बैटरी उद्योग के लिए सबसे महत्वपूर्ण हैं। China में कंपनियां, CATL और HiNa Battery सहित, पहले से ही electric vehicles और grid storage के लिए sodium-ion cells का वाणिज्यिक उत्पादन शुरू कर चुकी हैं। यदि हाइड्रेटेड कैथोड दृष्टिकोण को स्केल किया जा सकता है और मौजूदा विनिर्माण प्रक्रियाओं में एकीकृत किया जा सकता है, तो यह lithium-ion विकल्पों के विरुद्ध sodium-ion तकनीकों की प्रतिस्पर्धीता में काफी सुधार कर सकता है।

दृष्टिकोण की सरलता विशेष रूप से प्रोत्साहजनक है। विदेशी नई सामग्री या जटिल विनिर्माण तकनीकों की आवश्यकता के बजाय, सुधार कम करने से आता है, विशेष रूप से energy-intensive सूखने के चरण को छोड़ने से जो कैथोड उत्पादन में मानक अभ्यास है। यह बेहतर प्रदर्शन और कम विनिर्माण लागत दोनों में अनुवाद कर सकता है, बैटरी अनुसंधान में एक दुर्लभ संयोजन।

जैसा कि दुनिया renewable energy grids का समर्थन करने के लिए आवश्यक ऊर्जा भंडारण अवसंरचना बनाने के लिए दौड़ रही है, सस्ती और स्केलेबल बैटरी तकनीकें महत्वपूर्ण होंगी। Surrey टीम का काम सुझाता है कि बेहतर बैटरी का जवाब हो सकता है कि यह हमेशा से खुली नजरों में छिपा हुआ हो, उस पानी में जो निर्माताओं ने बहुत सावधानी से हटाया है।

यह लेख New Atlas की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।