આ એનર્જી-પેક્ડ બેટરીઓ ભારે ઠંડી અને ગરમીમાં સારી રીતે કામ કરે છે

યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા સાન ડિએગોના એન્જિનિયરોએ લિથિયમ-આયન બેટરીઓ વિકસાવી છે જે ઘણી ઉર્જા પેક કરતી વખતે ઠંડું પાડતી ઠંડી અને સળગતા ગરમ તાપમાનમાં સારું પ્રદર્શન કરે છે.સંશોધકોએ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વિકસાવીને આ સિદ્ધિ હાંસલ કરી છે જે વિશાળ તાપમાન શ્રેણીમાં માત્ર બહુમુખી અને મજબૂત નથી, પરંતુ ઉચ્ચ ઊર્જા એનોડ અને કેથોડ સાથે પણ સુસંગત છે.
તાપમાન-સ્થિતિસ્થાપક બેટરીઓપ્રોસીડીંગ્સ ઓફ નેશનલ એકેડેમી ઓફ સાયન્સીસ (PNAS) માં 4 જુલાઈના અઠવાડિયે પ્રકાશિત થયેલા પેપરમાં વર્ણવેલ છે.
આવી બેટરીઓ ઠંડા વાતાવરણમાં ઇલેક્ટ્રિક વાહનોને એક જ ચાર્જ પર વધુ દૂર જવાની મંજૂરી આપી શકે છે;તેઓ ગરમ આબોહવામાં વાહનોના બેટરી પેકને વધુ ગરમ થવાથી બચાવવા માટે કૂલિંગ સિસ્ટમ્સની જરૂરિયાતને પણ ઘટાડી શકે છે, એમ યુસી સાન ડિએગો જેકોબ્સ સ્કૂલ ઑફ એન્જિનિયરિંગના નેનોએન્જિનિયરિંગના પ્રોફેસર અને અભ્યાસના વરિષ્ઠ લેખક ઝેંગ ચેને જણાવ્યું હતું.
“તમારે એવા વિસ્તારોમાં ઉચ્ચ તાપમાનની કામગીરીની જરૂર છે જ્યાં આસપાસનું તાપમાન ત્રણ અંક સુધી પહોંચી શકે અને રસ્તાઓ વધુ ગરમ થાય.ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં, બેટરી પેક સામાન્ય રીતે ફ્લોરની નીચે, આ ગરમ રસ્તાઓની નજીક હોય છે," ચેને સમજાવ્યું, જેઓ UC સાન ડિએગો સસ્ટેનેબલ પાવર એન્ડ એનર્જી સેન્ટરના ફેકલ્ટી સભ્ય પણ છે.“ઉપરાંત, ઓપરેશન દરમિયાન કરંટ ચાલુ થવાથી જ બેટરી ગરમ થાય છે.જો બેટરીઓ ઊંચા તાપમાને આ વોર્મઅપને સહન કરી શકતી નથી, તો તેમની કામગીરી ઝડપથી બગડી જશે."
પરીક્ષણોમાં, પ્રૂફ-ઓફ-કન્સેપ્ટ બેટરીઓએ તેમની ઊર્જા ક્ષમતાના 87.5% અને 115.9% અનુક્રમે -40 અને 50 C (-40 અને 122 F) પર જાળવી રાખી હતી.તેમની પાસે આ તાપમાને અનુક્રમે 98.2% અને 98.7% ની ઉચ્ચ કૂલમ્બિક કાર્યક્ષમતા હતી, જેનો અર્થ છે કે બેટરીઓ કામ કરવાનું બંધ કરે તે પહેલાં વધુ ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ ચક્રમાંથી પસાર થઈ શકે છે.
ચેન અને સહકર્મીઓએ વિકસાવેલી બેટરીઓ તેમના ઈલેક્ટ્રોલાઈટને કારણે ઠંડી અને ગરમી સહન કરતી હોય છે.તે લિથિયમ સોલ્ટ સાથે મિશ્રિત ડિબ્યુટાઇલ ઇથરના પ્રવાહી દ્રાવણમાંથી બને છે.ડિબ્યુટાઈલ ઈથર વિશેની એક વિશેષ વિશેષતા એ છે કે તેના પરમાણુઓ લિથિયમ આયનો સાથે નબળા રીતે જોડાય છે.બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ઈલેક્ટ્રોલાઈટ પરમાણુઓ સરળતાથી લિથિયમ આયનોને છોડી શકે છે કારણ કે બેટરી ચાલે છે.આ નબળા મોલેક્યુલર ક્રિયાપ્રતિક્રિયા, સંશોધકોએ અગાઉના અભ્યાસમાં શોધ્યું હતું, સબ-ઝીરો તાપમાને બેટરીની કામગીરીમાં સુધારો કરે છે.ઉપરાંત, ડિબ્યુટાઈલ ઈથર સરળતાથી ગરમી લઈ શકે છે કારણ કે તે ઊંચા તાપમાને પ્રવાહી રહે છે (તેનું ઉત્કલન બિંદુ 141 C, અથવા 286 F છે).
લિથિયમ-સલ્ફર રસાયણશાસ્ત્રને સ્થિર કરવું
આ ઈલેક્ટ્રોલાઈટની ખાસ વાત એ છે કે તે લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી સાથે સુસંગત છે, જે રિચાર્જેબલ બેટરીનો એક પ્રકાર છે જેમાં લિથિયમ મેટલનો એનોડ અને સલ્ફરનો કેથોડ હોય છે.લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી એ નેક્સ્ટ જનરેશન બેટરી ટેક્નોલોજીનો આવશ્યક ભાગ છે કારણ કે તે ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા અને ઓછા ખર્ચનું વચન આપે છે.તેઓ આજની લિથિયમ-આયન બેટરી કરતાં કિલોગ્રામ દીઠ બે ગણી વધુ ઊર્જાનો સંગ્રહ કરી શકે છે - આ બેટરી પેકના વજનમાં કોઈ વધારો કર્યા વિના ઇલેક્ટ્રિક વાહનોની શ્રેણીને બમણી કરી શકે છે.ઉપરાંત, પરંપરાગત લિથિયમ-આયન બેટરી કેથોડ્સમાં વપરાતા કોબાલ્ટ કરતાં સલ્ફર વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં અને સ્ત્રોત માટે ઓછું સમસ્યારૂપ છે.
પરંતુ લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં સમસ્યા છે.કેથોડ અને એનોડ બંને સુપર રિએક્ટિવ છે.સલ્ફર કેથોડ્સ એટલા પ્રતિક્રિયાશીલ હોય છે કે તે બેટરીના ઓપરેશન દરમિયાન ઓગળી જાય છે.આ સમસ્યા ઊંચા તાપમાને વધુ ખરાબ થાય છે.અને લિથિયમ ધાતુના એનોડ સોય જેવા માળખાને ડેંડ્રાઈટ્સ તરીકે ઓળખાતા હોય છે જે બેટરીના ભાગોને વીંધી શકે છે, જેના કારણે તે શોર્ટ-સર્કિટ થાય છે.પરિણામે, લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી માત્ર દસ ચક્ર સુધી ચાલે છે.
"જો તમને ઊંચી ઉર્જા ઘનતાવાળી બેટરી જોઈએ છે, તો તમારે સામાન્ય રીતે ખૂબ જ કઠોર, જટિલ રસાયણશાસ્ત્રનો ઉપયોગ કરવાની જરૂર છે," ચેને કહ્યું."ઉચ્ચ ઉર્જાનો અર્થ થાય છે કે વધુ પ્રતિક્રિયાઓ થઈ રહી છે, જેનો અર્થ છે ઓછી સ્થિરતા, વધુ અધોગતિ.ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળી બેટરી બનાવવી જે સ્થિર હોય તે પોતે જ એક મુશ્કેલ કાર્ય છે - વિશાળ તાપમાન શ્રેણી દ્વારા આ કરવાનો પ્રયાસ વધુ પડકારજનક છે."
UC સાન ડિએગો ટીમ દ્વારા વિકસિત ડિબ્યુટિલ ઈથર ઈલેક્ટ્રોલાઈટ ઊંચા અને નીચા તાપમાને પણ આ સમસ્યાઓને અટકાવે છે.સામાન્ય લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી કરતાં તેઓએ ચકાસેલી બેટરીઓ સાયકલ ચલાવવાનું જીવન ખૂબ લાંબુ ધરાવે છે."અમારું ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઉચ્ચ વાહકતા અને ઇન્ટરફેસિયલ સ્થિરતા પ્રદાન કરતી વખતે કેથોડ બાજુ અને એનોડ બાજુ બંનેને સુધારવામાં મદદ કરે છે," ચેને કહ્યું.
ટીમે સલ્ફર કેથોડને પોલિમરમાં કલમ કરીને વધુ સ્થિર બનાવવા માટે પણ એન્જિનિયર કર્યું.આ વધુ સલ્ફરને ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળતા અટકાવે છે.
આગળનાં પગલાંઓમાં બેટરી રસાયણશાસ્ત્રને માપવું, તેને વધુ ઊંચા તાપમાને કામ કરવા માટે ઑપ્ટિમાઇઝ કરવું અને સાઇકલ લાઇફને વધુ લંબાવવાનો સમાવેશ થાય છે.
પેપર: "તાપમાન-સ્થિતિસ્થાપક લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી માટે દ્રાવક પસંદગી માપદંડ."સહ-લેખકોમાં Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal અને Ping Liuનો સમાવેશ થાય છે, બધા UC સાન ડિએગો ખાતે.
આ કાર્યને નાસાના સ્પેસ ટેક્નોલૉજી રિસર્ચ ગ્રાન્ટ્સ પ્રોગ્રામ (ECF 80NSSC18K1512), UC સાન ડિએગો મટિરિયલ્સ રિસર્ચ સાયન્સ એન્ડ એન્જિનિયરિંગ સેન્ટર (MRSEC, ગ્રાન્ટ DMR-2011924) દ્વારા નેશનલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશન, અને ઑફિસ ઑફિસ તરફથી પ્રારંભિક કારકિર્દી ફેકલ્ટી ગ્રાન્ટ દ્વારા સમર્થન આપવામાં આવ્યું હતું. એડવાન્સ્ડ બેટરી મટિરિયલ્સ રિસર્ચ પ્રોગ્રામ (બેટરી500 કન્સોર્ટિયમ, કોન્ટ્રાક્ટ DE-EE0007764) દ્વારા યુએસ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીની વ્હીકલ ટેક્નોલોજી.નેશનલ નેનોટેકનોલોજી કોઓર્ડિનેટેડ ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરના સભ્ય, જે નેશનલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશન (ગ્રાન્ટ ECCS-1542148) દ્વારા સમર્થિત છે, UC સાન ડિએગો ખાતેના સાન ડિએગો નેનોટેકનોલોજી ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર (SDNI) ખાતે આ કાર્ય ભાગરૂપે કરવામાં આવ્યું હતું.