ലിഥിയം ബാറ്ററികൾക്കുള്ള സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ തടസ്സത്തെ യുഎസ്ടിസി മറികടന്നു

ആഗസ്റ്റ് 21-ന്, ചൈനയിലെ ശാസ്ത്ര സാങ്കേതിക സർവകലാശാലയിലെ (USTC) പ്രൊഫ. എംഎ ചെങ്ങും അദ്ദേഹത്തിന്റെ സഹകാരികളും അടുത്ത തലമുറയിലെ സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് Li ബാറ്ററികളുടെ വികസനം പരിമിതപ്പെടുത്തുന്ന ഇലക്ട്രോഡ്-ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് സമ്പർക്ക പ്രശ്നം പരിഹരിക്കുന്നതിന് ഫലപ്രദമായ ഒരു തന്ത്രം നിർദ്ദേശിച്ചു. ഈ രീതിയിൽ സൃഷ്ടിച്ച സോളിഡ്-സോളിഡ് കോമ്പോസിറ്റ് ഇലക്ട്രോഡ് അസാധാരണമായ ശേഷികളും നിരക്ക് പ്രകടനങ്ങളും പ്രദർശിപ്പിച്ചു.

പരമ്പരാഗത ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളിലെ ഓർഗാനിക് ലിക്വിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന് പകരം സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ സ്ഥാപിക്കുന്നത് സുരക്ഷാ പ്രശ്നങ്ങൾ വളരെയധികം ലഘൂകരിക്കുകയും ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള "ഗ്ലാസ് സീലിംഗ്" തകർക്കുകയും ചെയ്യും. എന്നിരുന്നാലും, മുഖ്യധാരാ ഇലക്ട്രോഡ് വസ്തുക്കളും സോളിഡുകളാണ്. രണ്ട് സോളിഡുകൾ തമ്മിലുള്ള സമ്പർക്കം ഖരവും ദ്രാവകവും തമ്മിലുള്ള സമ്പർക്കം പോലെ അടുത്തായിരിക്കുക അസാധ്യമായതിനാൽ, നിലവിൽ ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ബാറ്ററികൾ സാധാരണയായി മോശം ഇലക്ട്രോഡ്-ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് സമ്പർക്കവും തൃപ്തികരമല്ലാത്ത പൂർണ്ണ-സെൽ പ്രകടനവും പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു.

"സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് ബാറ്ററികളുടെ ഇലക്ട്രോഡ്-ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് സമ്പർക്ക പ്രശ്നം ഒരു മര ബാരലിന്റെ ഏറ്റവും ചെറിയ സ്റ്റേവ് പോലെയാണ്," പഠനത്തിന്റെ മുഖ്യ രചയിതാവായ യുഎസ്ടിസിയിലെ പ്രൊഫ. എംഎ ചെങ് പറഞ്ഞു. "വാസ്തവത്തിൽ, ഈ വർഷങ്ങളിൽ ഗവേഷകർ ഇതിനകം തന്നെ നിരവധി മികച്ച ഇലക്ട്രോഡുകളും ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളും വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്, പക്ഷേ അവ തമ്മിലുള്ള മോശം സമ്പർക്കം ഇപ്പോഴും ലി-അയൺ ഗതാഗതത്തിന്റെ കാര്യക്ഷമതയെ പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു."

ഭാഗ്യവശാൽ, എം‌എയുടെ തന്ത്രം ഈ ഭീമാകാരമായ വെല്ലുവിളിയെ മറികടന്നേക്കാം. പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് ഘടനയുള്ള സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് എന്ന പ്രോട്ടോടൈപ്പിലെ ഒരു മാലിന്യ ഘട്ടത്തിന്റെ ആറ്റം-ബൈ-ആറ്റം പരിശോധനയോടെയാണ് പഠനം ആരംഭിച്ചത്. മാലിന്യത്തിനും ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റിനും ഇടയിൽ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന വളരെ വ്യത്യാസപ്പെട്ടിരുന്നുവെങ്കിലും, അവ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഇന്റർഫേസുകൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതായി നിരീക്ഷിക്കപ്പെട്ടു. വിശദമായ ഘടനാപരവും രാസപരവുമായ വിശകലനങ്ങളുടെ ഒരു പരമ്പരയ്ക്ക് ശേഷം, ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള ലി-സമ്പന്നമായ പാളികളുള്ള ഇലക്ട്രോഡുകളുമായി മാലിന്യ ഘട്ടം ഐസോസ്ട്രക്ചറൽ ആണെന്ന് ഗവേഷകർ കണ്ടെത്തി. അതായത്, ഉയർന്ന പ്രകടനമുള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോഡിന്റെ ആറ്റോമിക് ഫ്രെയിംവർക്ക് രൂപപ്പെടുത്തിയ "ടെംപ്ലേറ്റിൽ" ഒരു പ്രോട്ടോടൈപ്പ് സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന് ക്രിസ്റ്റലൈസ് ചെയ്യാൻ കഴിയും, ഇത് ആറ്റോമികമായി അടുപ്പമുള്ള ഇന്റർഫേസുകൾക്ക് കാരണമാകുന്നു.

"ഇത് ശരിക്കും ഒരു അത്ഭുതമാണ്," നിലവിൽ യുഎസ്ടിസിയിൽ ബിരുദ വിദ്യാർത്ഥിയായ ആദ്യ എഴുത്തുകാരൻ എൽഐ ഫുഷെൻ പറഞ്ഞു. "പദാർത്ഥത്തിലെ മാലിന്യങ്ങളുടെ സാന്നിധ്യം യഥാർത്ഥത്തിൽ വളരെ സാധാരണമായ ഒരു പ്രതിഭാസമാണ്, അതിനാൽ മിക്കപ്പോഴും അവ അവഗണിക്കപ്പെടും. എന്നിരുന്നാലും, അവയെ സൂക്ഷ്മമായി പരിശോധിച്ച ശേഷം, ഈ അപ്രതീക്ഷിത എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സ്വഭാവം ഞങ്ങൾ കണ്ടെത്തി, അത് ഖര-ഖര സമ്പർക്കം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള ഞങ്ങളുടെ തന്ത്രത്തിന് നേരിട്ട് പ്രചോദനം നൽകി."

സാധാരണയായി സ്വീകരിക്കുന്ന കോൾഡ്-പ്രസ്സിംഗ് സമീപനവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, ഗവേഷകർ നിർദ്ദേശിച്ച തന്ത്രത്തിന്, ആറ്റോമിക്-റെസല്യൂഷൻ ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പി ഇമേജിൽ പ്രതിഫലിക്കുന്നതുപോലെ, ആറ്റോമിക് സ്കെയിലിൽ ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളും ഇലക്ട്രോഡുകളും തമ്മിൽ സമഗ്രവും തടസ്സമില്ലാത്തതുമായ ഒരു സമ്പർക്കം സാക്ഷാത്കരിക്കാൻ കഴിയും. (എം.എ.യുടെ ടീം നൽകിയത്.)

നിരീക്ഷിച്ച പ്രതിഭാസം പ്രയോജനപ്പെടുത്തി, ഗവേഷകർ ലിഥിയം സമ്പുഷ്ടമായ ഒരു പാളിയ സംയുക്തത്തിന്റെ ഉപരിതലത്തിൽ പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ്-സ്ട്രക്ചേർഡ് സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന്റെ അതേ ഘടനയുള്ള അമോർഫസ് പൊടിയെ മനഃപൂർവ്വം ക്രിസ്റ്റലൈസ് ചെയ്തു, കൂടാതെ ഒരു സംയുക്ത ഇലക്ട്രോഡിൽ ഈ രണ്ട് ഖര വസ്തുക്കൾക്കിടയിൽ സമഗ്രവും തടസ്സമില്ലാത്തതുമായ സമ്പർക്കം വിജയകരമായി തിരിച്ചറിഞ്ഞു. ഇലക്ട്രോഡ്-ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് സമ്പർക്ക പ്രശ്നം പരിഹരിച്ചതോടെ, അത്തരമൊരു ഖര-സോളിഡ് സംയുക്ത ഇലക്ട്രോഡ് ഒരു ഖര-ദ്രാവക സംയുക്ത ഇലക്ട്രോഡിൽ നിന്നുള്ളതിന് സമാനമായ ഒരു നിരക്ക് ശേഷി നൽകി. കൂടുതൽ പ്രധാനമായി, ഈ തരത്തിലുള്ള എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സോളിഡ്-സോളിഡ് കോൺടാക്റ്റ് വലിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേടുകൾ സഹിക്കുമെന്ന് ഗവേഷകർ കണ്ടെത്തി, അതിനാൽ അവർ നിർദ്ദേശിച്ച തന്ത്രം മറ്റ് പല പെറോവ്‌സ്‌കൈറ്റ് സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾക്കും പാളിയ ഇലക്ട്രോഡുകൾക്കും ബാധകമാകുമെന്നും കണ്ടെത്തി.

"ഈ പഠനം പിന്തുടരേണ്ട ഒരു ദിശയിലേക്ക് വിരൽ ചൂണ്ടി," എം.എ പറഞ്ഞു. "ഇവിടെ ഉന്നയിച്ച തത്വം മറ്റ് പ്രധാന വസ്തുക്കളിൽ പ്രയോഗിക്കുന്നത് കൂടുതൽ മികച്ച സെൽ പ്രകടനത്തിനും കൂടുതൽ രസകരമായ ശാസ്ത്രത്തിനും കാരണമാകും. ഞങ്ങൾ അതിനായി കാത്തിരിക്കുകയാണ്."

ഈ ദിശയിൽ പര്യവേക്ഷണം തുടരാനും, ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള, ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള കാഥോഡുകളിൽ നിർദ്ദിഷ്ട തന്ത്രം പ്രയോഗിക്കാനും ഗവേഷകർ ഉദ്ദേശിക്കുന്നു.

സെൽ പ്രസ്സിന്റെ ഒരു മുൻനിര ജേണലായ മാറ്ററിൽ "ലി ബാറ്ററികൾക്കായുള്ള സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളും ഇലക്ട്രോഡുകളും തമ്മിലുള്ള ആറ്റമികമായി അടുപ്പമുള്ള സമ്പർക്കം" എന്ന തലക്കെട്ടിൽ ഈ പഠനം പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു. യുഎസ്ടിസിയിലെ ബിരുദ വിദ്യാർത്ഥിയായ എൽഐ ഫുഷെൻ ആണ് ആദ്യ രചയിതാവ്. സിങ്‌ഹുവ സർവകലാശാലയിലെ പ്രൊഫ. നാൻ സെ-വെൻ, ആമേസ് ലബോറട്ടറിയിൽ നിന്നുള്ള ഡോ. സൗ ലിൻ എന്നിവരാണ് പ്രൊഫ. എംഎ ചെങ്ങിന്റെ സഹകാരികളിൽ ഉൾപ്പെടുന്നത്.

(സ്കൂൾ ഓഫ് കെമിസ്ട്രി ആൻഡ് മെറ്റീരിയൽ സയൻസസ്)

പേപ്പർ ലിങ്ക്: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3