સુરક્ષિત અને શક્તિશાળી બેટરીઓ બનાવવા માટે નેનોવાયર્સનો ઉપયોગ

અભ્યાસે બેટરી બનાવવાની એક રીત શોધી કાઢી છે જેનો ઉપયોગ આપણે દરરોજ વધુ સ્થિતિસ્થાપક, શક્તિશાળી અને સલામત બનવા માટે કરીએ છીએ.

વર્ષ 2018 છે અને આપણું રોજિંદા જીવન હવે જુદા જુદા ગેજેટ્સ દ્વારા બળતણ કરે છે જે કાં તો ચાલે છે વીજળી અથવા બેટરી પર. બેટરી સંચાલિત ગેજેટ્સ અને ઉપકરણો પરની અમારી નિર્ભરતા અસાધારણ રીતે વધી રહી છે. એ બેટરી એક એવું ઉપકરણ છે જે રાસાયણિક ઊર્જાનો સંગ્રહ કરે છે જે વીજળીમાં રૂપાંતરિત થાય છે. બેટરીઓ મિની રાસાયણિક રિએક્ટરની જેમ પ્રતિક્રિયા આપે છે જે ઈલેક્ટ્રોનથી ભરપૂર ઊર્જા ઉત્પન્ન કરે છે જે બાહ્ય ઉપકરણમાંથી વહે છે. પછી ભલે તેના સેલ ફોન હોય કે લેપટોપ કે અન્ય ઇલેક્ટ્રિક વાહનો પણ, બેટરી - સામાન્ય રીતે લિથિયમ-આયન - આ ટેક્નોલોજીઓ માટેનો મુખ્ય પાવર સ્ત્રોત છે. જેમ જેમ ટેક્નોલોજી આગળ વધી રહી છે, તેમ તેમ વધુ કોમ્પેક્ટ, ઉચ્ચ ક્ષમતા અને સુરક્ષિત રિચાર્જેબલ બેટરીની સતત માંગ છે.

બેટરીનો લાંબો અને ભવ્ય ઇતિહાસ છે. અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક બેન્જામિન ફ્રેન્કલીને 1749 માં પ્રથમ વખત "બેટરી" શબ્દનો ઉપયોગ કર્યો હતો જ્યારે લિન્ક્ડ કેપેસિટરના સમૂહનો ઉપયોગ કરીને વીજળી સાથે પ્રયોગો કર્યા હતા. ઇટાલિયન ભૌતિકશાસ્ત્રી એલેસાન્ડ્રો વોલ્ટાએ 1800 માં પ્રથમ બેટરીની શોધ કરી હતી જ્યારે ખારા પાણીમાં પલાળેલા કપડા દ્વારા અલગ કરાયેલ કોપર (Cu) અને ઝિંક (Zn) ની ડિસ્કને હેસ્ટેક કરી હતી. લીડ-એસિડ બેટરી, સૌથી વધુ ટકાઉ અને સૌથી જૂની રિચાર્જ કરી શકાય તેવી બેટરીમાંની એક 1859 માં શોધાઈ હતી અને આજે પણ વાહનોમાં આંતરિક કમ્બશન એન્જિન સહિત ઘણા ઉપકરણોમાં તેનો ઉપયોગ થાય છે.

બેટરીઓ ઘણી લાંબી મજલ કાપી છે અને આજે તે મોટા મેગાવોટના કદની શ્રેણીમાં આવે છે, તેથી સૈદ્ધાંતિક રીતે તેઓ સૌર ખેતરોમાંથી વીજળી સંગ્રહિત કરી શકે છે અને નાના શહેરોને પ્રકાશિત કરી શકે છે અથવા તે ઈલેક્ટ્રોનિક ઘડિયાળોમાં વપરાતી જેટલી નાની હોઈ શકે છે. , અદ્ભુત તે નથી. પ્રાથમિક બેટરી તરીકે ઓળખાતી પ્રતિક્રિયામાં ઇલેક્ટ્રોનનો પ્રવાહ ઉલટાવી ન શકાય તેવી હોય છે અને આખરે જ્યારે તેના એક રિએક્ટન્ટનો વપરાશ થાય છે ત્યારે બેટરી સપાટ થઈ જાય છે અથવા મૃત્યુ પામે છે. સૌથી સામાન્ય પ્રાથમિક બેટરી ઝીંક-કાર્બન બેટરી છે. આ પ્રાથમિક બેટરીઓ એક મોટી સમસ્યા હતી અને આવી બેટરીઓના નિકાલનો ઉકેલ લાવવાનો એકમાત્ર રસ્તો એ હતો કે તેનો પુનઃઉપયોગ કરી શકાય - જેનો અર્થ છે કે તેમને રિચાર્જ કરવા યોગ્ય બનાવીને. બેટરીને નવી સાથે બદલવી દેખીતી રીતે અવ્યવહારુ હતી અને આ રીતે જેમ જેમ બેટરીઓ વધુ બની શક્તિશાળી અને તેમને બદલવા અને નિકાલ કરવા માટે ખૂબ ખર્ચાળ ઉલ્લેખ ન કરવો તે અશક્યની બાજુમાં મોટું બન્યું.

નિકલ-કેડમિયમ બેટરી (NiCd) એ પ્રથમ લોકપ્રિય રિચાર્જેબલ બેટરી હતી જેમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે આલ્કલીનો ઉપયોગ થતો હતો. 1989માં નિકલ-મેટલ હાઇડ્રોજન બેટરી (NiMH) વિકસાવવામાં આવી હતી જેનું આયુષ્ય NiCd બેટરી કરતા લાંબુ હતું. જો કે, તેમની પાસે કેટલીક ખામીઓ હતી, ખાસ કરીને જ્યારે તેઓ તેમના મહત્તમ દર પ્રમાણે ચાર્જ કરવામાં આવે ત્યારે તેઓ ઓવરચાર્જિંગ અને ઓવરહિટીંગ માટે ખૂબ જ સંવેદનશીલ હતા. તેથી, કોઈપણ નુકસાનને ટાળવા માટે તેમને ધીમેથી અને કાળજીપૂર્વક ચાર્જ કરવા પડતા હતા અને સરળ ચાર્જર દ્વારા ચાર્જ થવા માટે વધુ સમયની જરૂર હતી.

1980 માં શોધાયેલ, લિથિયમ-આયન બેટરી (LIBs) એ ઉપભોક્તામાં સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી બેટરી છે ઇલેક્ટ્રોનિક આજે ઉપકરણો. લિથિયમ એ સૌથી હળવા તત્વોમાંનું એક છે અને તેમાં સૌથી મોટી ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સંભવિતતાઓ છે, તેથી આ સંયોજન બેટરી બનાવવા માટે આદર્શ રીતે યોગ્ય છે. LIB માં, લિથિયમ આયનો વિવિધ ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા ખસે છે જે મીઠું અને બને છે ઓર્ગેનિક સોલવન્ટ્સ (મોટા ભાગના પરંપરાગત LIB માં). સૈદ્ધાંતિક રીતે, લિથિયમ ધાતુ એ ખૂબ જ ઊંચી ક્ષમતા ધરાવતી સૌથી વધુ ઈલેક્ટ્રિકલી સકારાત્મક ધાતુ છે અને તે બેટરી માટે શ્રેષ્ઠ શક્ય પસંદગી છે. જ્યારે LIB રિચાર્જિંગનું કામ કરે છે, ત્યારે હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ લિથિયમ આયન લિથિયમ ધાતુ બની જાય છે. આમ, LIB એ તેમના લાંબા આયુષ્ય અને ઉચ્ચ ક્ષમતાને કારણે તમામ પ્રકારના પોર્ટેબલ ઉપકરણોમાં ઉપયોગ માટે સૌથી લોકપ્રિય રિચાર્જેબલ બેટરી છે. જો કે, એક મોટી સમસ્યા એ છે કે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સરળતાથી બાષ્પીભવન કરી શકે છે, જેના કારણે બેટરીમાં શોર્ટ-સર્કિટ થાય છે અને આ આગનું જોખમ બની શકે છે. વ્યવહારમાં, LIB ખરેખર અસ્થિર અને બિનકાર્યક્ષમ છે કારણ કે સમય જતાં લિથિયમ સ્વભાવ બિન-યુનિફોર્મ બની જાય છે. LIB માં ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દર પણ ઓછો હોય છે અને સલામતીની ચિંતાઓ તેમને ઘણા ઉચ્ચ પાવર અને ઉચ્ચ ક્ષમતાવાળા મશીનો માટે અયોગ્ય બનાવે છે, ઉદાહરણ તરીકે ઇલેક્ટ્રિક અને હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રિક વાહનો. LIB એ ખૂબ જ દુર્લભ પ્રસંગોએ સારી ક્ષમતા અને જાળવણી દર દર્શાવવા માટે જાણ કરવામાં આવી છે.

આમ, બૅટરીની દુનિયામાં બધુ જ પરફેક્ટ નથી કારણ કે તાજેતરના વર્ષોમાં ઘણી બધી બૅટરીઓ અસુરક્ષિત તરીકે ચિહ્નિત કરવામાં આવી છે કારણ કે તે આગ પકડે છે, અવિશ્વસનીય અને ક્યારેક બિનકાર્યક્ષમ હોય છે. વિશ્વભરના વૈજ્ઞાનિકો એવી બેટરી બનાવવાની શોધમાં છે જે નાની, સુરક્ષિત રીતે રિચાર્જ કરી શકાય તેવી, હળવા, વધુ સ્થિતિસ્થાપક અને તે જ સમયે વધુ શક્તિશાળી હશે. તેથી, સંભવિત વિકલ્પ તરીકે, ધ્યાન ઘન-સ્થિતિ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ તરફ વળ્યું છે. આને ધ્યાનમાં રાખીને વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા ઘણા વિકલ્પો અજમાવવામાં આવ્યા છે, પરંતુ સ્થિરતા અને માપનીયતા મોટાભાગના અભ્યાસોમાં અવરોધ છે. પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સે મુખ્ય સંભવિતતા દર્શાવી છે કારણ કે તે માત્ર સ્થિર નથી પણ લવચીક અને સસ્તી પણ છે. કમનસીબે, આવા પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથેનો મુખ્ય મુદ્દો તેમની નબળી વાહકતા અને યાંત્રિક ગુણધર્મો છે.

ACS માં પ્રકાશિત થયેલા તાજેતરના અભ્યાસમાં નેનો લેટર્સ, સંશોધકો એ દર્શાવ્યું છે કે બેટરીની સલામતી અને અન્ય ઘણા ગુણધર્મોને તેમાં નેનોવાયર ઉમેરીને વધારી શકાય છે, જે બેટરીને શ્રેષ્ઠ બનાવે છે. કોલેજ ઓફ મટિરિયલ્સ સાયન્સ એન્ડ એન્જિનિયરિંગ, ઝેજિયાંગ યુનિવર્સિટી ઓફ ટેક્નોલોજી, ચીનના સંશોધકોની આ ટીમે તેમના અગાઉના સંશોધન પર નિર્માણ કર્યું છે જ્યાં તેઓએ મેગ્નેશિયમ બોરેટ નેનોવાયર્સ બનાવ્યા જે સારા યાંત્રિક ગુણધર્મો અને વાહકતા દર્શાવે છે. વર્તમાન અભ્યાસમાં તેઓએ તપાસ કરી કે શું આ બેટરીઓ માટે પણ સાચું હશે કે કેમ નેનોવાયર્સ સોલિડ-સ્ટેટ પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઉમેરવામાં આવે છે. સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટને 5, 10, 15 અને 20 વજનના મેગ્નેશિયમ બોરેટ નેનોવાયર્સ સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવ્યું હતું. એવું જોવામાં આવ્યું હતું કે નેનોવાયરોએ સોલિડ-સ્ટેટ પોલિમર ઈલેક્ટ્રોલાઈટની વાહકતા વધારી છે જેણે નેનોવાયર વગરની બેટરીને વધુ મજબૂત અને સ્થિતિસ્થાપક બનાવી છે. વાહકતામાં આ વધારો ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી પસાર થતા અને આગળ વધતા આયનોની સંખ્યામાં વધારો થવાને કારણે અને વધુ ઝડપી દરે હતો. આખું સેટઅપ બેટરી જેવું હતું પરંતુ તેમાં નેનોવાયર ઉમેરવામાં આવ્યા હતા. આનાથી સામાન્ય બેટરીની સરખામણીમાં પરફોર્મન્સનો ઊંચો દર અને સાઈકલમાં વધારો જોવા મળ્યો. બળતરાની એક મહત્વપૂર્ણ તપાસ પણ કરવામાં આવી હતી અને તે જોવામાં આવ્યું હતું કે બેટરી બળી નથી. મોબાઇલ ફોન અને લેપટોપ જેવી આજે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી પોર્ટેબલ એપ્લિકેશનને મહત્તમ અને સૌથી વધુ કોમ્પેક્ટ સંગ્રહિત ઊર્જા સાથે અપગ્રેડ કરવાની જરૂર છે. આ દેખીતી રીતે હિંસક સ્રાવનું જોખમ વધારે છે અને બેટરીના નાના ફોર્મેટને કારણે તે આવા ઉપકરણો માટે વ્યવસ્થાપિત છે. પરંતુ જેમ જેમ બેટરીના મોટા કાર્યક્રમો ડિઝાઇન અને અજમાવવામાં આવે છે, સલામતી, ટકાઉપણું અને શક્તિ સર્વોચ્ચ મહત્વ ધારે છે.

***

{તમે ટાંકેલા સ્ત્રોત(ઓ)ની સૂચિમાં નીચે આપેલ DOI લિંક પર ક્લિક કરીને મૂળ સંશોધન પેપર વાંચી શકો છો}

સ્રોત (ઓ)

શેંગ ઓ એટ અલ. 2018. Mg2B2O5 Nanowire ઉચ્ચ આયોનિક વાહકતા, ઉત્તમ યાંત્રિક ગુણધર્મો અને ફ્લેમ-રિટાડન્ટ કામગીરી સાથે મલ્ટિફંક્શનલ સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સક્ષમ કરે છે. નેનો લેટર્સ. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659