स्टैनफोर्ड लिथियम मेटल बैटरी ब्रेकथ्रू इलेक्ट्रिक वाहनों की रेंज को दोगुना कर सकती है

 लिथियम मेटल बैटरी तकनीक में स्टैनफोर्ड की सफलता एक सरल रेस्टिंग प्रोटोकॉल के माध्यम से ईवी रेंज और बैटरी जीवन को बढ़ाने का वादा करती है, जिससे व्यावसायिक व्यवहार्यता बढ़ती है।

अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रिक वाहन लिथियम धातु बैटरी पर चल सकते हैं जो एक बार चार्ज करने पर 500 से 700 मील तक चलती हैं, जो आज ईवी में पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में दोगुनी है।

लेकिन लिथियम धातु प्रौद्योगिकी में गंभीर कमियां हैं: चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के अपेक्षाकृत कुछ चक्रों के बाद बैटरी तेजी से ऊर्जा संग्रहीत करने की अपनी क्षमता खो देती है - उन ड्राइवरों के लिए अत्यधिक अव्यवहारिक जो रिचार्जेबल इलेक्ट्रिक कारों के वर्षों तक चलने की उम्मीद करते हैं।

वैज्ञानिक बैटरी के चक्र जीवन को बेहतर बनाने के लिए विभिन्न प्रकार की नई सामग्रियों और तकनीकों का परीक्षण कर रहे हैं। अब, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक कम लागत वाला समाधान खोजा है: बस बैटरी को ख़त्म करें और इसे कई घंटों तक आराम दें। नेचर जर्नल में प्रकाशित एक अध्ययन में वर्णित इस सीधे दृष्टिकोण ने बैटरी क्षमता को बहाल किया और समग्र प्रदर्शन को बढ़ावा दिया।

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में स्टैनफोर्ड पीएचडी छात्र, अध्ययन के सह-प्रमुख लेखक वेनबो झांग ने कहा, "हम लिथियम धातु साइक्लिंग जीवन को बेहतर बनाने के लिए सबसे आसान, सस्ता और तेज़ तरीका ढूंढ रहे थे।" “हमने पाया कि बैटरी को डिस्चार्ज अवस्था में रखकर, खोई हुई क्षमता को पुनः प्राप्त किया जा सकता है और चक्र जीवन को बढ़ाया जा सकता है। इन सुधारों को केवल बैटरी प्रबंधन सॉफ़्टवेयर को पुन: प्रोग्राम करके महसूस किया जा सकता है, जिसमें उपकरण, सामग्री या उत्पादन प्रवाह के लिए कोई अतिरिक्त लागत या आवश्यक परिवर्तन नहीं होंगे।

अध्ययन के परिणाम ईवी निर्माताओं को वास्तविक दुनिया की ड्राइविंग स्थितियों के लिए लिथियम धातु प्रौद्योगिकी को अपनाने पर व्यावहारिक अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकते हैं, वरिष्ठ लेखक यी कुई, इंजीनियरिंग स्कूल में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के फोर्टिनेट संस्थापक प्रोफेसर और ऊर्जा और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर ने कहा। स्टैनफोर्ड डोएर स्कूल ऑफ सस्टेनेबिलिटी में।

कुई ने कहा, "लिथियम धातु बैटरियां काफी शोध का विषय रही हैं।" "हमारे निष्कर्ष भविष्य के अध्ययनों का मार्गदर्शन करने में मदद कर सकते हैं जो व्यापक व्यावसायिक अनुकूलन की दिशा में लिथियम धातु बैटरी की उन्नति में सहायता करेंगे।"

लिथियम धातु बनाम लिथियम-आयन प्रौद्योगिकी

एक पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी में दो इलेक्ट्रोड होते हैं - एक ग्रेफाइट एनोड और एक लिथियम मेटल ऑक्साइड कैथोड - एक तरल या ठोस इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किया जाता है जो लिथियम आयनों को आगे और पीछे बंद करता है।

लिथियम धातु बैटरी में, ग्रेफाइट एनोड को इलेक्ट्रोप्लेटेड लिथियम धातु से बदल दिया जाता है, जो इसे उतनी ही जगह में लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में दोगुनी ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम बनाता है। लिथियम धातु एनोड का वजन ग्रेफाइट एनोड से भी कम होता है, जो ईवी के लिए महत्वपूर्ण है। लिथियम धातु बैटरियां लिथियम-आयन के रूप में प्रति पाउंड कम से कम एक तिहाई अधिक ऊर्जा धारण कर सकती हैं।

रसायन विज्ञान में पीएचडी के छात्र, सह-प्रमुख लेखक फिलाफोन सयावोंग ने कहा, "लिथियम धातु बैटरी से लैस एक कार में समान आकार के लिथियम-आयन वाहन की तुलना में दोगुनी रेंज होगी - प्रति चार्ज 600 मील बनाम 300 मील।" "ईवी में, लक्ष्य वाहन की सीमा का विस्तार करते हुए बैटरी को यथासंभव हल्का रखना है।"

रेंज को दोगुना करने से उन ड्राइवरों के लिए रेंज की चिंता खत्म हो सकती है जो ईवी खरीदने के लिए अनिच्छुक हैं। दुर्भाग्य से, निरंतर चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के कारण लिथियम धातु की बैटरियां तेजी से खराब हो जाती हैं, जिससे वे नियमित ड्राइविंग के लिए बेकार हो जाती हैं। जब बैटरी को डिस्चार्ज किया जाता है, तो लिथियम धातु के माइक्रोन आकार के टुकड़े अलग हो जाते हैं और ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (एसईआई) में फंस जाते हैं, एक स्पंजी मैट्रिक्स जो एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के मिलने पर बनता है।

"एसईआई मैट्रिक्स अनिवार्य रूप से विघटित इलेक्ट्रोलाइट है," झांग ने समझाया। “यह एनोड से निकाले गए लिथियम धातु के अलग-अलग टुकड़ों को घेर लेता है और उन्हें किसी भी विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया में भाग लेने से रोकता है। इसी कारण से, हम पृथक लिथियम को मृत मानते हैं।"

बार-बार चार्ज करने और डिस्चार्ज करने से अतिरिक्त मृत लिथियम का निर्माण होता है, जिससे बैटरी तेजी से क्षमता खो देती है। झांग ने कहा, "अत्याधुनिक लिथियम धातु बैटरी वाला ईवी लिथियम-आयन बैटरी द्वारा संचालित ईवी की तुलना में बहुत तेज गति से रेंज खो देगा।"

मुक्ति और आराम

पिछले काम में, सयावोंग और उनके सहयोगियों ने पाया कि बैटरी निष्क्रिय होने पर एसईआई मैट्रिक्स घुलना शुरू हो जाता है। उस निष्कर्ष के आधार पर, स्टैनफोर्ड टीम ने यह देखने का निर्णय लिया कि यदि बैटरी को डिस्चार्ज होने के दौरान आराम करने दिया जाए तो क्या होगा।

झांग ने कहा, "पहला कदम बैटरी को पूरी तरह से डिस्चार्ज करना था ताकि उसमें शून्य करंट प्रवाहित हो।" "डिस्चार्जिंग एनोड से सभी धात्विक लिथियम को हटा देता है, इसलिए आपके पास जो कुछ बचा है वह एसईआई मैट्रिक्स से घिरे पृथक लिथियम के निष्क्रिय टुकड़े हैं।"

अगला कदम बैटरी को निष्क्रिय रहने देना था।

सयावोंग ने कहा, "हमने पाया कि अगर बैटरी केवल एक घंटे के लिए डिस्चार्ज अवस्था में रहती है, तो मृत लिथियम के आसपास के कुछ एसईआई मैट्रिक्स घुल जाते हैं।" "इसलिए जब आप बैटरी को रिचार्ज करते हैं, तो मृत लिथियम एनोड के साथ फिर से जुड़ जाएगा, क्योंकि रास्ते में कम ठोस द्रव्यमान आ रहा है।"

एनोड के साथ पुनः जुड़ने से मृत लिथियम वापस जीवन में आ जाता है, जिससे बैटरी अधिक ऊर्जा उत्पन्न करने और अपने चक्र जीवन को बढ़ाने में सक्षम हो जाती है|

कुई ने कहा, "पहले, हमने सोचा था कि यह ऊर्जा हानि अपरिवर्तनीय थी।" "लेकिन हमारे अध्ययन से पता चला है कि हम केवल डिस्चार्ज हुई बैटरी को आराम देकर खोई हुई क्षमता को पुनः प्राप्त कर सकते हैं।"

टाइम-लैप्स वीडियो माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने आराम चरण के दौरान अवशिष्ट एसईआई के विघटन और बाद में मृत लिथियम की वसूली की पुष्टि की।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों

औसत अमेरिकी ड्राइवर हर दिन गाड़ी चलाने में लगभग एक घंटा बिताता है, इसलिए आपकी कार की बैटरी को कई घंटों तक आराम देने का विचार संभव है।

एक सामान्य ईवी में बैटरी प्रबंधन प्रणाली द्वारा नियंत्रित मॉड्यूल में 4,000 बैटरियां व्यवस्थित हो सकती हैं , एक इलेक्ट्रॉनिक मस्तिष्क जो बैटरी के प्रदर्शन की निगरानी और नियंत्रण करता है। लिथियम धातु बैटरी में, मौजूदा प्रबंधन प्रणाली को एक व्यक्तिगत मॉड्यूल को पूरी तरह से डिस्चार्ज करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है ताकि इसमें शून्य क्षमता बची रहे।

झांग ने कहा, इस दृष्टिकोण के लिए महंगी, नई विनिर्माण तकनीकों या सामग्रियों की आवश्यकता नहीं है।

"आप हमारे प्रोटोकॉल को उतनी ही तेजी से लागू कर सकते हैं जितनी तेजी से आपको बैटरी प्रबंधन प्रणाली कोड लिखने में लगता है," उन्होंने कहा। "हमारा मानना ​​है कि कुछ प्रकार की लिथियम धातु बैटरियों में, डिस्चार्ज-स्टेट अकेले आराम करने से ईवी चक्र जीवन में काफी वृद्धि हो सकती है।"