नैनोवायर बैटरी

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एक nanowires बैटरी एक या दोनों इलेक्ट्रोड के सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए नैनोवायर का उपयोग करती है, जिससे बैटरी की क्षमता में सुधार होता है। कुछ डिज़ाइन (सिलिकॉन, जर्मेनियम और संक्रमण धातु ऑक्साइड के भूतल गुण), लिथियम आयन बैटरी की विविधताओं की घोषणा की गई है, हालांकि कोई भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं है। सभी अवधारणाएं पारंपरिक ग्रेफाइट एनोड की जगह लेती हैं और बैटरी के प्रदर्शन में सुधार कर सकती हैं। प्रत्येक प्रकार की नैनोवायर बैटरी के विशिष्ट फायदे और नुकसान हैं, लेकिन उन सभी के लिए एक आम चुनौती उनकी नाजुकता है।[1]


सिलिकॉन

Main article: Lithium–silicon battery

सिलिकॉन इसकी निर्वहन क्षमता और उच्च सैद्धांतिक चार्ज क्षमता (वर्तमान में उद्योग में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट ग्रेफाइट एनोड्स की तुलना में दस गुना अधिक) के कारण लिथियम-आयन बैटरी एनोड्स के रूप में अनुप्रयोगों के लिए एक आकर्षक सामग्री है। नैनोवायर इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में उपलब्ध सतह क्षेत्र की मात्रा बढ़ाकर, एनोड की शक्ति घनत्व को बढ़ाकर और तेजी से चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की अनुमति देकर इन गुणों में सुधार कर सकते हैं। हालाँकि, चार्जिंग के दौरान लिथियम के साथ मिश्रित होने के कारण सिलिकॉन 400% तक फूल जाता है, जिससे यह टूट जाता है। यह आयतन विस्तार एनिसोट्रॉपिक होता है, जो गतिमान लिथिएशन फ्रंट के तुरंत बाद दरार प्रसार के कारण होता है। इन दरारों के परिणामस्वरूप पहले कुछ चक्रों के भीतर स्पंदन और पर्याप्त क्षमता हानि ध्यान देने योग्य होती है।[2] नैनोवायर वॉल्यूम विस्तार को कम करने में मदद कर सकते हैं। छोटा नैनोवायर व्यास लिथिएशन के दौरान मात्रा में परिवर्तन के बेहतर आवास की अनुमति देता है। एक अन्य लाभ यह है कि, क्योंकि सभी नैनोवायर वर्तमान संग्राहक से जुड़े होते हैं, वे चार्ज ट्रांसपोर्ट के लिए सीधे रास्ते के रूप में काम कर सकते हैं। इसके विपरीत, कण-आधारित इलेक्ट्रोड में, आवेशों को कण से कण में जाने के लिए मजबूर किया जाता है, एक कम कुशल प्रक्रिया। सिलिकॉन नैनोवायरों की सैद्धांतिक क्षमता लगभग 4,200 mAh g है-1, सिलिकॉन के अन्य रूपों की तुलना में बड़ा और ग्रेफाइट की तुलना में बहुत बड़ा (372 mAh g-1).[3] ग्रेफाइट एनोड्स की तरह, सिलिकॉन एनोड्स पहले चार्ज चक्र के दौरान अपनी सतहों पर पैसिवेशन (रसायन विज्ञान) परतें (ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज) बनाते हैं। सिलिकॉन नैनोवायरों पर कार्बन की परत चढ़ाने से इन परतों की स्थिरता में सुधार हो सकता है।[4] 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 दावा किया गया था। सिलिकॉन की तरह, जर्मेनियम में एक उच्च सैद्धांतिक क्षमता (1600 mAh g-1) होती है, चार्जिंग के दौरान फैलती है, और कुछ चक्रों के बाद विघटित हो जाती है।[6][7] हालांकि, जर्मेनियम सिलिकॉन की तुलना में लिथियम को आपस में जोड़ने में 400 गुना अधिक प्रभावी है, जिससे यह एक आकर्षक एनोड सामग्री बन जाती है। एनोड्स ने 1100 चक्रों के बाद 900 mAh/g की क्षमता बनाए रखने का दावा किया, यहां तक ​​कि 20–100C की डिस्चार्ज दरों पर भी। इस प्रदर्शन को नैनोवायरों के पुनर्गठन के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था जो पहले 100 चक्रों के भीतर यांत्रिक रूप से मजबूत, निरंतर झरझरा नेटवर्क बनाने के लिए होता है। एक बार बनने के बाद, पुनर्गठित एनोड उसके बाद प्रति चक्र क्षमता का केवल 0.01% खो देता है।[8] सामग्री इन प्रारंभिक चक्रों के बाद एक स्थिर संरचना बनाती है जो चूर्णन को सहन करने में सक्षम है। 2014 में, शोधकर्ताओं ने एक जलीय घोल से जर्मेनियम के नैनोवायर बनाने का एक सरल तरीका विकसित किया।[9]


संक्रमण धातु ऑक्साइड

संक्रमण धातु ऑक्साइड (TMO), जैसे Cr2O3, फे2O3, एमएनओ2, कं3O4 और पीबीओ2, लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी) और अन्य बैटरी सिस्टम के लिए पारंपरिक सेल सामग्री पर एनोड सामग्री के रूप में कई फायदे 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 हैं। जैसा कि नैनोसंरचित बैटरी इलेक्ट्रोड की अवधारणा पेश की गई है, प्रयोगवादी इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में टीएमओ-आधारित नैनोवायरों की संभावना पर विचार करना शुरू करते हैं। इस अवधारणा की कुछ हालिया जांचों पर निम्नलिखित उपधारा में चर्चा की गई है।

लेड ऑक्साइड एनोड

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

2014 में, प्रयोगवादी ने सफलतापूर्वक PbO प्राप्त किया2 सरल टेम्पलेट इलेक्ट्रोफोरेटिक बयान के माध्यम से नैनोवायर। एनोड के रूप में इस नैनोवायर का प्रदर्शन लेड-एसिड बैटरी के लिए भी मूल्यांकन किया गया है। बड़े पैमाने पर सतह क्षेत्र में वृद्धि के कारण, यह सेल लगभग 190 एमएएच जी की लगभग स्थिर क्षमता देने में सक्षम था−1 1,000 चक्रों के बाद भी।[14][15] इस परिणाम ने इस नैनोसंरचित PbO को दिखाया2 सामान्य लेड-एसिड एनोड के लिए काफी आशाजनक विकल्प के रूप में।

मैंगनीज ऑक्साइड

एमएनओ2 अपनी उच्च ऊर्जा क्षमता, गैर-विषाक्तता और लागत प्रभावशीलता के कारण इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए हमेशा एक अच्छा उम्मीदवार रहा है। हालांकि, चार्जिंग/डिस्चार्जिंग चक्र के दौरान क्रिस्टल मैट्रिक्स में लिथियम-आयन सम्मिलन महत्वपूर्ण वॉल्यूमेट्रिक विस्तार का कारण होगा। ऑपरेशन चक्र के दौरान इस प्रभाव का प्रतिकार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने हाल ही में ली-समृद्ध एमएनओ के उत्पादन का विचार प्रस्तावित किया2 ली के नाममात्र स्टोइकोमेट्री के साथ नैनोवायर2एमएनओ3 लिथियम-आयन बैटरी के लिए एनोड सामग्री के रूप में। यह नई प्रस्तावित एनोड सामग्री बैटरी सेल को 1279 एमएएच जी की ऊर्जा क्षमता तक पहुंचने में सक्षम बनाती है-1 500 mA के वर्तमान घनत्व पर 500 चक्रों के बाद भी।[16] यह प्रदर्शन शुद्ध MnO2 की तुलना में बहुत अधिक है2 एनोड या एमएनओ2 नैनोवायर एनोड कोशिकाएं।

हेटेरोस्ट्रक्चर टीएमओ

विभिन्न संक्रमण धातु आक्साइड के heterojunction कभी-कभी एलआईबी के अधिक पूर्ण प्रदर्शन की क्षमता प्रदान करते हैं।

2013 में, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक एक शाखित कंपनी का संश्लेषण किया3O4/ फे2O3 जलतापीय विधि का उपयोग करते हुए नैनोवायर विषम संरचना । एलआईबी सेल के लिए वैकल्पिक एनोड के रूप में इस विषमता का उपयोग किया जा सकता है। ऑपरेशन में, कं3O4 अधिक कुशल आयनिक परिवहन को बढ़ावा देता है, जबकि Fe2O3 सतह क्षेत्र को बढ़ाकर सेल की सैद्धांतिक क्षमता को बढ़ाता है। 980 एमएएच जी की एक उच्च प्रतिवर्ती क्षमता-1 रिपोर्ट किया गया था।[17] निर्माण विषम ZnCo की संभावना2O4/NiO नैनोवायर ऐरे एनोड का भी कुछ अध्ययनों में पता लगाया गया है।[18] हालाँकि, एनोड के रूप में इस सामग्री की दक्षता का मूल्यांकन किया जाना अभी बाकी है।

सोना

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। प्रौद्योगिकी ऐसी बैटरियों की ओर ले जा सकती है जिन्हें अधिकांश अनुप्रयोगों में कभी भी बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। सोने के नैनोवायरों को प्लेक्सीग्लास जैसे जेल इलेक्ट्रोलाइट में बंद मैंगनीज डाइऑक्साइड खोल द्वारा मजबूत किया जाता है। संयोजन विश्वसनीय और विफलता के लिए प्रतिरोधी है। परीक्षण इलेक्ट्रोड को लगभग 200,000 बार साइकिल चलाने के बाद, क्षमता या शक्ति का कोई नुकसान नहीं हुआ, और न ही किसी नैनोवायर का फ्रैक्चर हुआ।[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.
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  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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