नैनोवायर बैटरी: Difference between revisions

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नैनोवायर बैटरी या दोनों इलेक्ट्रोड के सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए नैनोवायर का उपयोग करती है, जिससे बैटरी की क्षमता में सुधार होता है। इस प्रकार से कुछ डिज़ाइन (सिलिकॉन, जर्मेनियम और संक्रमण धातु ऑक्साइड के भूतल गुण), लिथियम आयन बैटरी की विविधताओं की घोषणा की गई है, चूंकि कोई भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं होते है। सभी अवधारणाएं पारंपरिक ग्रेफाइट एनोड का स्थान लेती हैं और बैटरी के प्रदर्शन में सुधार कर सकती हैं। और प्रत्येक प्रकार की नैनोवायर बैटरी के विशिष्ट लाभ और हानि होती हैं, जिससे इसी प्रकार से उन सभी के लिए समान चुनौती कोमल होती है।[1]

सिलिकॉन

Main article: लिथियम-सिलिकॉन बैटरी

सिलिकॉन इसकी निर्वहन क्षमता और उच्च सैद्धांतिक चार्ज क्षमता (वर्तमान में उद्योग में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट ग्रेफाइट एनोड्स की तुलना में कई अधिक) होने के कारण लिथियम-आयन बैटरी एनोड्स के रूप में अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक सामग्री होती है। नैनोवायर इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में उपलब्ध सतह क्षेत्र की मात्रा बढ़ाकर, एनोड की शक्ति घनत्व को बढ़ाकर और तीव्र गति से चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की अनुमति देकर इन गुणों में सुधार कर सकते हैं। चूंकि , चार्जिंग के समय लिथियम के साथ मिश्रित होने के कारण सिलिकॉन 400% तक फूल जाता है, जिससे यह टूट जाता है। और यह आयतन विस्तार एनिसोट्रॉपिक होता है, जोकी गतिमान लिथिएशन फ्रंट के तुरंत पश्चात दरार प्रसार के कारण होता है। इन दरारों के परिणामस्वरूप पहले कुछ चक्रों के अन्दर स्पंदन और पर्याप्त क्षमता हानि ध्यान देने योग्य होती है।[2]

इस प्रकार से नैनोवायर वॉल्यूम विस्तार को कम करने में सहायता कर सकते हैं। और छोटा नैनोवायर व्यास लिथिएशन के समय मात्रा में परिवर्तन के श्रेष्ठ आवास की अनुमति देता है। अन्य लाभ यह है कि, क्योंकि सभी नैनोवायर वर्तमान संग्राहक आपस में जुड़े होते हैं, किंतु वे चार्ज ट्रांसपोर्ट के लिए सीधे रास्ते के रूप में कार्य कर सकते हैं। इसके विपरीत, कण-आधारित इलेक्ट्रोड में, आवेशों को कण से कण में जाने के लिए विवश किया जाता है, कम कुशल प्रक्रिया मानी जाती है । और सिलिकॉन नैनोवायर की सैद्धांतिक क्षमता लगभग 4,200 mAh g−1 है, जो सिलिकॉन के अन्य रूपों की तुलना में उच्च होती है और ग्रेफाइट (372 mAh g−1 ) की तुलना में बहुत उच्च होती है।.[3]

ग्रेफाइट एनोड्स की तरह, सिलिकॉन एनोड्स पहले चार्ज चक्र के समय अपनी सतहों पर पैसिवेशन (रसायन विज्ञान) परतें (ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज) बनाते हैं। और सिलिकॉन नैनोवायरों पर कार्बन की परत चढ़ाने से इन परतों की स्थिरता में सुधार हो सकता है।[4]

अतः नैनोवायर एनोड में फॉस्फोरस या बोरॉन जैसी डोपिंग अशुद्धियां भी चालकता बढ़ाकर प्रदर्शन में सुधार कर सकती हैं।[5]

जर्मेनियम

जर्मेनियम नैनोवायर का उपयोग करने वाले एनोड में लिथियम-आयन बैटरी की ऊर्जा घनत्व और चक्र स्थायित्व को बढ़ाने की क्षमता होने का अधिकार किया गया था। सिलिकॉन की तरह, जर्मेनियम में उच्च सैद्धांतिक क्षमता (1600 mAh g-1) होती है, चार्जिंग के समय फैलती जाती है, और कुछ चक्रों के पश्चात विघटित हो जाती है।[6][7] चूंकि , जर्मेनियम सिलिकॉन की तुलना में लिथियम को आपस में जोड़ने में 400 गुना अधिक प्रभावी होते है, जिससे यह आकर्षक एनोड सामग्री बन जाती है।एनोड ने 20-100C की डिस्चार्ज दर पर भी, 1100 चक्रों के पश्चात 900 एमएएच/जी की क्षमता बनाए रखने का अधिकार किया। इस प्रदर्शन को नैनोवायरों के पुनर्गठन के लिए उत्तरदायी माना गया था जो पहले 100 चक्रों के अन्दर यांत्रिक रूप से कठोर , निरंतर छिद्रपूर्ण इस प्रदर्शन को नैनोवायरों के पुनर्गठन के लिए उत्तरदायी ठहराया गया था । एक बार बनने के पश्चात , पुनर्गठित एनोड उसके पश्चात प्रति चक्र केवल 0.01% क्षमता खो देता है।[8] सामग्री इन प्रारंभिक चक्रों के पश्चात स्थिर संरचना बनाती है जो चूर्णन को सहन करने में सक्षम होते है। 2014 में, शोधकर्ताओं ने जलीय घोल से जर्मेनियम के नैनोवायर बनाने की सरल विधि को विकसित किया गया ।[9]

संक्रमण धातु ऑक्साइड

संक्रमण धातु ऑक्साइड (TMO), जैसे Cr2O3, Fe2O3, MnO2, Co3O4 and PbO2, के लिथियम-आयन बैटरी (LIB) और अन्य बैटरी प्रणालियों के लिए पारंपरिक सेल सामग्री की तुलना में एनोड सामग्री के रूप में कई लाभ होते हैं।[10][11][12] उनमें से कुछ उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा क्षमता रखते हैं, और स्वाभाविक रूप से प्रचुर मात्रा में, गैर विषैले और पर्यावरण के अनुकूल भी होते हैं। जैसा कि नैनोसंरचित बैटरी इलेक्ट्रोड की अवधारणा प्रस्तुत की गई है, प्रयोगवादी इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में टीएमओ-आधारित नैनोवायरों की संभावना पर विचार करना प्रारंभ करते हैं। इस अवधारणा की कुछ आधुनिक जांचों पर निम्नलिखित उपधारा में चर्चा की गई है।

लेड ऑक्साइड एनोड

लेड एसिड बैटरी रिचार्जेबल बैटरी सेल का सबसे प्राचीन प्रकार है। भले ही कच्चा माल (PbO2) सेल उत्पादन के लिए अधिक सुलभ और सस्ता है, लीड-एसिड बैटरी कोशिकाओं में अपेक्षाकृत कम विशिष्ट ऊर्जा होती है।[13] ऑपरेशन चक्र के समय पेस्ट मोटा होना प्रभाव (वॉल्यूमेट्रिक विस्तार प्रभाव) इलेक्ट्रोलाइट के प्रभावी प्रवाह को भी अवरुद्ध करता है। इन समस्याओं ने कुछ ऊर्जा-गहन कार्यों को पूर्ण करने के लिए सेल की क्षमता को सीमित कर दिया गया ।

इस प्रकार से 2014 में, प्रयोगवादी ने सफलतापूर्वक PbO2 प्राप्त किया गया और सरल टेम्पलेट इलेक्ट्रोडिपॉसिशन के माध्यम से नैनोवायर प्राप्त किया लेड-एसिड बैटरी के लिए एनोड के रूप में इस नैनोवायर के प्रदर्शन का भी मूल्यांकन किया गया है

उच्च माप पर बढ़े हुए सतह क्षेत्र के कारण, यह सेल 1,000 चक्रों के पश्चात् लगभग 190 mAh g−1 की लगभग स्थिर क्षमता प्रदान करने में सक्षम था।[14][15] इस परिणाम ने इस नैनोसंरचित PbO2 को सामान्य लेड-एसिड एनोड के लिए एक काफी आशाजनक विकल्प के रूप में दिखाया गया था ।

मैंगनीज ऑक्साइड

अपनी उच्च ऊर्जा क्षमता, गैर-विषाक्तता और निरंतर प्रभावशीलता के कारण MnO2 सदैव इलेक्ट्रोड सामग्रियों के लिए एक अच्छा प्रत्याशी रहा है। चूंकि , चार्जिंग/डिस्चार्जिंग चक्र के समय क्रिस्टल मैट्रिक्स में लिथियम-आयन सम्मिलन महत्वपूर्ण वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का कारण होगा। ऑपरेशन चक्र के समय इस प्रभाव का प्रतिकार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने ऑपरेशन चक्र के दौरान इस प्रभाव का प्रतिकार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने हाल ही में LIB के लिए एनोड सामग्री के रूप में Li2MnO3 की नाममात्र स्टोइकोमेट्री के साथ Li-MnO2समृद्ध नैनोवायर के उत्पादन का विचार प्रस्तावित किया है।यह नई प्रस्तावित एनोड सामग्री बैटरी सेल को 500 चक्रों के बाद भी 500 mA के वर्तमान घनत्व पर 1279 mAh g−1 की ऊर्जा क्षमता तक पहुंचने में सक्षम बनाती है।।[16] यह प्रदर्शन शुद्ध MnO2 एनोड या MnO2 नैनोवायर एनोड कोशिकाओं की तुलना में बहुत अधिक होते है।

हेटेरोस्ट्रक्चर टीएमओ

इस प्रकार से भिन्न संक्रमण धातु आक्साइड के हेटेरोजंक्शन कभी-कभी LIB के अधिक पूर्ण प्रदर्शन की क्षमता प्रदान करते हैं।

2013 में, शोधकर्ताओं ने हाइड्रोथर्मल विधि का उपयोग करके एक शाखित Co3O4 /Fe2O3 जलतापीय हेटरोस्ट्रक्चर को सफलतापूर्वक संश्लेषित किया।इस हेटेरोजंक्शन का उपयोग LIB सेल के लिए वैकल्पिक एनोड के रूप में किया जा सकता है।। ऑपरेशन के दौरान, Co3O4 अधिक कुशल आयनिक परिवहन को बढ़ावा देता है, जबकि Fe2O3 सतह क्षेत्र को बढ़ाकर कोशिका की सैद्धांतिक क्षमता को बढ़ाता है। 980 mAh g−1 की उच्च प्रतिवर्ती क्षमता की सूचना दी गई थी।[17]

कुछ अध्ययनों में विषम ZnCo2O4/NiO नैनोवायर ऐरे एनोड के निर्माण की संभावना का भी पता लगाया गया है।[18] चूंकि, एनोड के रूप में इस सामग्री की दक्षता का मूल्यांकन अभी भी किया जाना बाकी है।

सोना

इस प्रकार से 2016 में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन के शोधकर्ताओं ने नैनोवायरों के किसी भी टूटने के बिना 200,000 से अधिक चार्ज चक्रों में सक्षम नैनोवायर सामग्री के आविष्कार की घोषणा की थी । और प्रौद्योगिकी प्रौद्योगिकी ऐसी बैटरियों को जन्म दे सकती है जिन्हें अधिकांश अनुप्रयोगों में कभी भी परिवर्तन की आवश्यकता नहीं होती है । जिससे सोने के नैनोवायरों को प्लेक्सीग्लास जैसे जेल इलेक्ट्रोलाइट में बंद मैंगनीज डाइऑक्साइड खोल द्वारा कठोर किया जाता है। संयोजन विश्वसनीय और विफलता के लिए प्रतिरोधी होते है। और परीक्षण इलेक्ट्रोड को लगभग 200,000 बार साइकिल चलाने के पश्चात , क्षमता या शक्ति का कोई हानि नहीं हुआ, और न ही किसी नैनोवायर का फ्रैक्चर हुआ था।[19]

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Bourzac, Katherine (May 2, 2016). "एक नैनोवायर बैटरी जो खत्म नहीं होगी". Chemical & Engineering News.
  2. ↑ Liu, X. H.; Zheng, H.; Zhong, L.; Huang, S.; Karki, K.; Zhang, L. Q.; Liu, Y.; Kushima, A.; Liang, W. T.; Wang, J. W.; Cho, J. H.; Epstein, E.; Dayeh, S. A.; Picraux, S. T.; Zhu, T.; Li, J.; Sullivan, J. P.; Cumings, J.; Wang, C.; Mao, S. X.; Ye, Z. Z.; Zhang, S.; Huang, J. Y. (2011). "Lithiation के दौरान अनिसोट्रोपिक सूजन और सिलिकॉन नैनोवायरों का फ्रैक्चर". Nano Letters. 11 (8): 3312–3318. Bibcode:2011NanoL..11.3312L. doi:10.1021/nl201684d. PMID 21707052.
  3. ↑ Shao, Gaofeng; Hanaor, Dorian A. H.; Wang, Jun; Kober, Delf; Li, Shuang; Wang, Xifan; Shen, Xiaodong; Bekheet, Maged F.; Gurlo, Aleksander (2020). "अत्यधिक स्थिर ली-आयन बैटरी एनोड के रूप में ग्राफीन एयरजेल के साथ एकीकृत पॉलीमर-व्युत्पन्न SiOC". ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (41): 46045–46056. arXiv:2104.06759. doi:10.1021/acsami.0c12376. PMID 32970402. S2CID 221915420.
  4. ↑ Park, M. H.; Kim, M. G.; Joo, J.; Kim, K.; Kim, J.; Ahn, S.; Cui, Y.; Cho, J. (2009). "सिलिकॉन नैनोट्यूब बैटरी एनोड्स". Nano Letters. 9 (11): 3844–3847. Bibcode:2009NanoL...9.3844P. doi:10.1021/nl902058c. PMID 19746961.
  5. ↑ Chakrapani, Vidhya (2012). "Silicon nanowire anode: improved battery life with capacity-limited cycling". Journal of Power Sources. 205: 433–438. doi:10.1016/j.jpowsour.2012.01.061.
  6. ↑ Mon, 02/10/2014 - 1:09pm (2014-02-10). "शोधकर्ताओं ने बैटरी तकनीक में सफलता हासिल की है". Rdmag.com. Retrieved 2014-04-27.
  7. ↑ Chan, C. K.; Zhang, X. F.; Cui, Y. (2008). "जीई नैनोवायरों का उपयोग कर उच्च क्षमता वाली ली आयन बैटरी एनोड्स". Nano Letters. 8 (1): 307–309. Bibcode:2008NanoL...8..307C. doi:10.1021/nl0727157. PMID 18095738.
  8. ↑ Kennedy, T.; Mullane, E.; Geaney, H.; Osiak, M.; o’Dwyer, C.; Ryan, K. M. (2014). "उच्च-निष्पादन जर्मेनियम नैनोवायर-आधारित लिथियम-आयन बैटरी एनोड्स एक निरंतर झरझरा नेटवर्क के सीटू गठन के माध्यम से 1000 से अधिक चक्रों का विस्तार". Nano Letters. 14 (2): 716–23. Bibcode:2014NanoL..14..716K. doi:10.1021/nl403979s. hdl:10344/7364. PMID 24417719.
  9. ↑ Simpler process to grow germanium nanowires could improve lithium-ion batteries, Missouri S&T, 28 August 2014, Andrew Careaga
  10. ↑ Nam, Ki Tae; Kim, Dong-Wan; Yoo, Pil J; Chiang, Chung-Yi; Meethong, Nonglak; Hammond, Paula T; Chiang, Yet-Ming; Belcher, Angela M (2006). "लिथियम आयन बैटरी इलेक्ट्रोड के लिए वायरस-सक्षम संश्लेषण और नैनोवायरों की असेंबली". Science. 312 (5775): 885–888. Bibcode:2006Sci...312..885N. CiteSeerX 10.1.1.395.4344. doi:10.1126/science.1122716. PMID 16601154. S2CID 5105315.
  11. ↑ Reddy, MV; Yu, Ting; Sow, Chorng-Haur; Shen, Ze Xiang; Lim, Chwee Teck; Subba Rao, GV; Chowdari, BVR (2007). "α-Fe2O3 Nanoflakes as an Anode Material for Li-Ion Batteries". Advanced Functional Materials. 17 (15): 2792–2799. doi:10.1002/adfm.200601186. S2CID 136738071.
  12. ↑ Dupont, Loic; Laruelle, Stephane; Grugeon, Sylvie; Dickinson, C; Zhou, W; Tarascon, J-M (2008). "Mesoporous Cr2O3 as negative electrode in lithium batteries: TEM study of the texture effect on the polymeric layer formation". Journal of Power Sources. 175 (1): 502–509. Bibcode:2008JPS...175..502D. doi:10.1016/j.jpowsour.2007.09.084.
  13. ↑ Pavlov, Detchko (2011). Lead-acid batteries: science and technology: science and technology. Elsevier.
  14. ↑ Moncada, Alessandra; Piazza, Salvatore; Sunseri, Carmelo; Inguanta, Rosalinda (2015). "Recent improvements in PbO2 nanowire electrodes for lead-acid battery". Journal of Power Sources. 275: 181–188. Bibcode:2015JPS...275..181M. doi:10.1016/j.jpowsour.2014.10.189.
  15. ↑ Moncada, A; Mistretta, M.C; Randazzo, S; Piazza, S; Sunseri, C; Inguanta, R (2014). "High-performance of PbO2 nanowire electrodes for lead-acid battery". Journal of Power Sources. 256: 72–79. Bibcode:2014JPS...256...72M. doi:10.1016/j.jpowsour.2014.01.050.
  16. ↑ Wu, Xiaomin; Li, Huan; Fei, Hailong; Zheng, Cheng; Wei, Mingdeng (2014). "Facile synthesis of Li2MnO3 nanowires for lithium-ion battery cathodes". New Journal of Chemistry. 38 (2): 584–587. doi:10.1039/c3nj00997a.
  17. ↑ Wu, Hao; Xu, Ming; Wang, Yongcheng; Zheng, Gengfeng (2013). "Branched Co3O4/Fe2O3 nanowires as high capacity lithium-ion battery anodes". Nano Research. 6 (3): 167–173. doi:10.1007/s12274-013-0292-z. S2CID 94870109.
  18. ↑ Sun, Zhipeng; Ai, Wei; Liu, Jilei; Qi, Xiaoying; Wang, Yanlong; Zhu, Jianhui; Zhang, Hua; Yu, Ting (2014). "Facile fabrication of hierarchical ZnCo2O4/NiO core/shell nanowire arrays with improved lithium-ion battery performance". Nanoscale. 6 (12): 6563–6568. Bibcode:2014Nanos...6.6563S. doi:10.1039/c4nr00533c. PMID 24796419. S2CID 25616445.
  19. ↑ "केमिस्ट ऑफ-द-चार्ट चार्जिंग क्षमता वाली बैटरी तकनीक बनाते हैं". phys.org. Retrieved 23 April 2016.

बाहरी संबंध

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