பாதுகாப்பான மற்றும் சக்தி வாய்ந்த பேட்டரிகளை தயாரிக்க நானோவைர்களைப் பயன்படுத்துதல்

நாம் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் பேட்டரிகளை அதிக மீள்திறன், சக்தி வாய்ந்த மற்றும் பாதுகாப்பானதாக மாற்றுவதற்கான வழியை ஆய்வு கண்டறிந்துள்ளது.

வருடம் 2018. நமது அன்றாட வாழ்க்கை இப்போது மின்சாரம் அல்லது மின்கலங்களில் இயங்கும் பல்வேறு கருவிகளால் இயக்கப்படுகிறது. மின்கலத்தில் இயங்கும் கருவிகள் மற்றும் சாதனங்கள் மீதான நமது சார்பு அபரிமிதமாக வளர்ந்து வருகிறது. மின்கலம் என்பது வேதி ஆற்றலைச் சேமித்து, அதை மின்சாரமாக மாற்றும் ஒரு சாதனமாகும். மின்கலங்கள் என்பவை சிறிய வேதி வினை உலைகள் போன்றவை; அவை ஆற்றல் நிறைந்த எலக்ட்ரான்களை உருவாக்கி, அவற்றை வெளிப்புறச் சாதனம் வழியாகப் பாயச் செய்கின்றன. கைபேசிகள், மடிக்கணினிகள் அல்லது மின்சார வாகனங்கள் என எதுவாக இருந்தாலும், பொதுவாக லித்தியம்-அயன் மின்கலங்களே இந்தத் தொழில்நுட்பங்களின் முக்கிய ஆற்றல் மூலமாக உள்ளன. தொழில்நுட்பம் தொடர்ந்து முன்னேறி வருவதால், மேலும் கச்சிதமான, அதிக கொள்ளளவு கொண்ட, பாதுகாப்பான மீண்டும் மின்னேற்றக்கூடிய மின்கலங்களுக்குத் தொடர்ச்சியான தேவை உள்ளது.

பேட்டரிகள் நீண்ட மற்றும் புகழ்பெற்ற வரலாற்றைக் கொண்டுள்ளன. அமெரிக்க விஞ்ஞானி பெஞ்சமின் ஃபிராங்க்ளின் 1749 ஆம் ஆண்டில் இணைக்கப்பட்ட மின்தேக்கிகளின் தொகுப்பைப் பயன்படுத்தி மின்சாரம் மூலம் பரிசோதனைகள் செய்யும் போது "பேட்டரி" என்ற வார்த்தையை முதன்முதலில் பயன்படுத்தினார். இத்தாலிய இயற்பியலாளர் அலெஸாண்ட்ரோ வோல்டா 1800 ஆம் ஆண்டில் முதல் மின்கலத்தை கண்டுபிடித்தார், அப்போது உப்பு நீரில் நனைத்த துணியால் பிரிக்கப்பட்ட செம்பு (Cu) மற்றும் துத்தநாகம் (Zn) டிஸ்க்குகளை அடுக்கி வைத்தார். லீட்-அமில பேட்டரி, மிகவும் நீடித்த மற்றும் பழமையான ரீசார்ஜ் செய்யக்கூடிய பேட்டரிகளில் ஒன்றாகும், இது 1859 இல் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது மற்றும் இன்றும் வாகனங்களில் உள்ள உள் எரிப்பு இயந்திரம் உட்பட பல சாதனங்களில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

மின்கலங்கள் நீண்ட தூரம் முன்னேறிவிட்டன. இன்று அவை பெரிய மெகாவாட் அளவுகள் முதல், கோட்பாட்டளவில் சூரிய பண்ணைகளிலிருந்து மின்சாரத்தைச் சேமித்து சிறு நகரங்களை ஒளிரச் செய்யும் திறன் கொண்டவை வரை பல்வேறு அளவுகளில் கிடைக்கின்றன. அல்லது, மின்னணு கைக்கடிகாரங்களில் பயன்படுத்தப்படும் அளவுக்கு மிகச் சிறியதாகவும் இருக்கலாம், இது ஆச்சரியமாக இருக்கிறது அல்லவா? முதன்மை மின்கலம் எனப்படும் ஒன்றில், எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்தை உருவாக்கும் வினை மீளா வினையாகும். இறுதியில், அதன் வினைபடு பொருள்களில் ஒன்று தீர்ந்துவிடும்போது, ​​மின்கலம் செயலிழந்துவிடுகிறது அல்லது செயலிழந்துவிடுகிறது. மிகவும் பொதுவான முதன்மை மின்கலம் துத்தநாக-கார்பன் மின்கலம் ஆகும். இந்த முதன்மை மின்கலங்கள் ஒரு பெரிய பிரச்சனையாக இருந்தன. அத்தகைய மின்கலங்களை அப்புறப்படுத்துவதற்கான ஒரே வழி, அவற்றை மீண்டும் பயன்படுத்தக்கூடிய ஒரு முறையைக் கண்டுபிடிப்பதுதான் – அதாவது அவற்றை மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடியதாக மாற்றுவது. மின்கலங்களுக்குப் பதிலாக புதியவற்றைக் கொண்டு மாற்றுவது வெளிப்படையாகவே நடைமுறைக்குச் சாத்தியமற்றதாக இருந்தது. இதனால், மின்கலங்கள் அதிக சக்தி வாய்ந்ததாகவும் பெரியதாகவும் மாறியதால், அவற்றை மாற்றுவதும் அப்புறப்படுத்துவதும் கிட்டத்தட்ட சாத்தியமற்றதாகவும், சொல்லப்போனால் மிகவும் விலை உயர்ந்ததாகவும் ஆனது.

நிக்கல்-காட்மியம் பேட்டரி (NiCd) என்பது காரத்தை எலக்ட்ரோலைட்டாகப் பயன்படுத்திய முதல் பிரபலமான ரிச்சார்ஜபிள் பேட்டரி ஆகும். 1989 இல் நிக்கல்-மெட்டல் ஹைட்ரஜன் பேட்டரிகள் (NiMH) NiCd பேட்டரிகளை விட நீண்ட ஆயுளுடன் உருவாக்கப்பட்டது. இருப்பினும், அவை சில குறைபாடுகளைக் கொண்டிருந்தன, முக்கியமாக அவை அதிகச் சார்ஜ் மற்றும் அதிக வெப்பமடைதல் ஆகியவற்றில் மிகவும் உணர்திறன் கொண்டவை, குறிப்பாக அவற்றின் அதிகபட்ச விகிதத்தில் கட்டணம் வசூலிக்கப்படும்போது. எனவே, அவை எந்த சேதத்தையும் தவிர்க்க மெதுவாகவும் கவனமாகவும் சார்ஜ் செய்யப்பட வேண்டும் மற்றும் எளிமையான சார்ஜர்களால் சார்ஜ் செய்ய அதிக நேரம் தேவைப்பட்டது.

1980-ல் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகள் (LIBs), இன்று நுகர்வோர் மின்னணு சாதனங்களில் மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் பேட்டரிகளாகும் . லித்தியம் மிகவும் இலேசான தனிமங்களில் ஒன்றாகும், மேலும் இது மிகப்பெரிய மின்வேதியியல் ஆற்றல்களில் ஒன்றைக் கொண்டுள்ளது. எனவே, இந்த கலவையானது பேட்டரிகளைத் தயாரிப்பதற்கு மிகவும் பொருத்தமானதாகும். LIB-களில், லித்தியம் அயனிகள், உப்பு மற்றும் கரிமக் கரைப்பான்களால் (பெரும்பாலான பாரம்பரிய LIB-களில்) செய்யப்பட்ட ஒரு மின்பகுளி வழியாக வெவ்வேறு மின்முனைகளுக்கு இடையில் நகர்கின்றன. கோட்பாட்டளவில், லித்தியம் உலோகம் மிகவும் நேர்மின் தன்மை கொண்ட உலோகம் ஆகும், இது மிக அதிக கொள்ளளவைக் கொண்டுள்ளது மற்றும் பேட்டரிகளுக்கு சிறந்த தேர்வாக அமைகிறது. LIB-கள் மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யப்படும்போது, ​​நேர்மின் சுமை கொண்ட லித்தியம் அயனி, லித்தியம் உலோகமாக மாறுகிறது. இதனால், LIB-கள் அவற்றின் நீண்ட ஆயுள் மற்றும் அதிக கொள்ளளவு காரணமாக, அனைத்து வகையான கையடக்க சாதனங்களிலும் பயன்படுத்தப்படும் மிகவும் பிரபலமான மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடிய பேட்டரிகளாகும். இருப்பினும், ஒரு பெரிய சிக்கல் என்னவென்றால், மின்பகுளி எளிதில் ஆவியாகி, பேட்டரியில் குறுக்குச் சுற்றுக்கு (ஷார்ட் சர்க்யூட்) வழிவகுக்கும், இது தீ விபத்துக்கான அபாயத்தை ஏற்படுத்தக்கூடும். நடைமுறையில், லித்தியம் அயன் மின்கலங்கள் (LIBs) மிகவும் நிலையற்றதாகவும் திறனற்றதாகவும் உள்ளன, ஏனெனில் காலப்போக்கில் லித்தியத்தின் இருப்பு சீரற்றதாகிவிடுகிறது. மேலும், LIB-கள் குறைந்த மின்னேற்ற மற்றும் மின்னிறக்க விகிதங்களைக் கொண்டுள்ளன. பாதுகாப்பு குறித்த கவலைகள் காரணமாக, மின்சார மற்றும் கலப்பின மின்சார வாகனங்கள் போன்ற பல உயர் சக்தி மற்றும் அதிக கொள்ளளவு கொண்ட இயந்திரங்களுக்கு இவை பொருத்தமற்றவையாக இருக்கின்றன. மிக அரிதான சந்தர்ப்பங்களில் மட்டுமே, LIB-கள் நல்ல கொள்ளளவு மற்றும் தக்கவைப்பு விகிதங்களை வெளிப்படுத்துவதாகப் பதிவாகியுள்ளது.

எனவே, பேட்டரிகளின் உலகில் அனைத்தும் சரியாக இல்லை, ஏனெனில் சமீபத்திய ஆண்டுகளில் பல பேட்டரிகள் பாதுகாப்பற்றதாகக் குறிக்கப்பட்டுள்ளன, ஏனெனில் அவை தீப்பிடித்து, நம்பகத்தன்மையற்றவை மற்றும் சில சமயங்களில் திறமையற்றவை. உலகளாவிய விஞ்ஞானிகள் சிறிய, பாதுகாப்பாக ரீசார்ஜ் செய்யக்கூடிய, இலகுவான, அதிக மீள்தன்மை மற்றும் அதே நேரத்தில் அதிக சக்தி வாய்ந்த பேட்டரிகளை உருவாக்கும் தேடலில் உள்ளனர். எனவே, சாத்தியமான மாற்றாக திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட்டுகளுக்கு கவனம் செலுத்தப்பட்டுள்ளது. இதை இலக்கு விருப்பங்களாக வைத்துக் கொள்வது விஞ்ஞானிகளால் முயற்சிக்கப்பட்டது, ஆனால் நிலைத்தன்மை மற்றும் அளவிடுதல் ஆகியவை பெரும்பாலான ஆய்வுகளுக்கு ஒரு தடையாக உள்ளது. பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் பெரிய ஆற்றலைக் காட்டுகின்றன, ஏனெனில் அவை நிலையானவை மட்டுமல்ல, நெகிழ்வானவை மற்றும் மலிவானவை. துரதிர்ஷ்டவசமாக, பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் முக்கிய பிரச்சினை அவற்றின் மோசமான கடத்துத்திறன் மற்றும் இயந்திர பண்புகள் ஆகும்.

ACS நானோ லெட்டர்ஸ் இதழில் சமீபத்தில் வெளியிடப்பட்ட ஒரு ஆய்வில் , ஒரு மின்கலத்துடன் நானோ கம்பிகளைச் சேர்ப்பதன் மூலம் அதன் பாதுகாப்பையும், மேலும் பல பண்புகளையும் மேம்படுத்தி, மின்கலத்தைச் சிறந்ததாக மாற்ற முடியும் என்று ஆராய்ச்சியாளர்கள் காட்டியுள்ளனர். சீனாவின் ஜெஜியாங் தொழில்நுட்பப் பல்கலைக்கழகத்தின் பொருள் அறிவியல் மற்றும் பொறியியல் கல்லூரியைச் சேர்ந்த இந்த ஆராய்ச்சியாளர் குழு, தங்களின் முந்தைய ஆராய்ச்சியின் அடிப்படையில் இந்த ஆய்வை மேற்கொண்டுள்ளது. அந்த ஆராய்ச்சியில், அவர்கள் நல்ல இயந்திரவியல் பண்புகளையும் கடத்துத்திறனையும் வெளிப்படுத்திய மெக்னீசியம் போரேட் நானோ கம்பிகளை உருவாக்கியிருந்தனர். தற்போதைய ஆய்வில், திடநிலை பாலிமர் மின்பகுளியுடன் அத்தகைய நானோ கம்பிகள் சேர்க்கப்படும்போது, ​​மின்கலங்களுக்கும் இது பொருந்துமா என்பதை அவர்கள் சோதித்தனர். திடநிலை மின்பகுளியுடன் 5, 10, 15 மற்றும் 20 எடை அளவிலான மெக்னீசியம் போரேட் நானோ கம்பிகள் கலக்கப்பட்டன. நானோ கம்பிகள் சேர்க்கப்படாத முந்தைய மின்கலங்களுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​நானோ கம்பிகள் திடநிலை பாலிமர் மின்பகுளியின் கடத்துத்திறனை அதிகரித்ததால், மின்கலங்கள் மிகவும் உறுதியானதாகவும் மீள்திறன் கொண்டதாகவும் மாறியது கண்டறியப்பட்டது. மின்பகுளி வழியாக அயனிகளின் எண்ணிக்கை அதிகரித்ததாலும், அவை மிக வேகமாக நகர்ந்ததாலும் இந்தக் கடத்துத்திறன் அதிகரிப்பு ஏற்பட்டது. இந்த முழு அமைப்பும், நானோ கம்பிகள் சேர்க்கப்பட்ட ஒரு மின்கலத்தைப் போலவே இருந்தது. இது சாதாரண மின்கலங்களுடன் ஒப்பிடும்போது அதிக செயல்திறனையும், அதிகரித்த சுழற்சிகளையும் காட்டியது. தீப்பற்றக்கூடிய தன்மை குறித்த ஒரு முக்கிய சோதனையும் மேற்கொள்ளப்பட்டது, அதில் மின்கலம் எரியவில்லை என்பது தெரியவந்தது. கைபேசிகள் மற்றும் மடிக்கணினிகள் போன்ற, இன்று பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் கையடக்கச் சாதனங்களுக்கு, அதிகபட்ச மற்றும் மிகவும் கச்சிதமான சேமிக்கப்பட்ட ஆற்றலுடன் மேம்படுத்தல் தேவைப்படுகிறது. இது வெளிப்படையாகவே கடுமையான மின்னிறக்கத்தின் அபாயத்தை அதிகரிக்கிறது, மேலும் தேவைப்படும் மின்கலங்களின் சிறிய வடிவத்தின் காரணமாக, அத்தகைய சாதனங்களுக்கு இது சமாளிக்கக்கூடியதாகவே உள்ளது. ஆனால், மின்கலங்களின் பெரிய பயன்பாடுகள் வடிவமைக்கப்பட்டு சோதிக்கப்படும்போது, ​​பாதுகாப்பு, நீடித்துழைக்கும் தன்மை மற்றும் ஆற்றல் ஆகியவை மிக முக்கியத்துவம் பெறுகின்றன.

***

ஆதாரம் (ங்கள்)

ஷெங் ஓ மற்றும் பலர். 2018. உயர் அயனிக் கடத்துத்திறன், சிறந்த இயந்திரவியல் பண்புகள் மற்றும் தீத்தடுப்பு செயல்திறன் கொண்ட Mg2B2O5 நானோகம்பியால் இயக்கப்பட்ட பல்பணி திடநிலை மின்பகுளிகள். நானோ லெட்டர்ஸ். https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659

***