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इंजीनियरों ने एक विभाजक विकसित किया है जो अल्ट्रा-लो तापमान बैटरी को सुरक्षित बनाने के लिए गैसीय इलेक्ट्रोलाइट्स को स्थिर करता है

20 अक्टूबर, 2021

By हॉपप्टो

विदेशी मीडिया रिपोर्टों के अनुसार, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय सैन डिएगो में नैनो इंजीनियरों ने एक बैटरी विभाजक विकसित किया है जो बैटरी में गैसीय इलेक्ट्रोलाइट को वाष्पीकरण से रोकने के लिए कैथोड और एनोड के बीच एक बाधा के रूप में कार्य कर सकता है। नया डायाफ्राम तूफान के आंतरिक दबाव को जमा होने से रोकता है, जिससे बैटरी को सूजन और विस्फोट से बचाया जा सकता है।

सैन डिएगो के कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में जैकब्स स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में नैनोइंजीनियरिंग के प्रोफेसर, शोध नेता, झेंग चेन ने कहा: "गैस के अणुओं को फंसाकर, झिल्ली वाष्पशील इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए एक स्टेबलाइजर के रूप में कार्य कर सकती है।"

नया विभाजक अति-निम्न तापमान पर बैटरी के प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। डायाफ्राम का उपयोग करने वाली बैटरी सेल शून्य से 40 डिग्री सेल्सियस कम पर काम कर सकती है, और क्षमता 500 मिलीएम्पियर घंटे प्रति ग्राम जितनी अधिक हो सकती है, जबकि वाणिज्यिक डायाफ्राम बैटरी में इस मामले में लगभग शून्य शक्ति होती है। शोधकर्ताओं का कहना है कि अगर इसे दो महीने तक बिना इस्तेमाल के छोड़ दिया जाए तो भी बैटरी सेल की क्षमता अधिक होती है। इस प्रदर्शन से पता चलता है कि डायाफ्राम भंडारण जीवन को भी बढ़ा सकता है। यह खोज शोधकर्ताओं को अपने लक्ष्य को और आगे प्राप्त करने की अनुमति देती है: बैटरी का उत्पादन करने के लिए जो बर्फीले वातावरण में वाहनों के लिए बिजली प्रदान कर सकती है, जैसे अंतरिक्ष यान, उपग्रह और गहरे समुद्र में जहाज।

यह शोध कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो में नैनोइंजीनियरिंग के प्रोफेसर यिंग शर्ली मेंग की प्रयोगशाला में एक अध्ययन पर आधारित है। यह शोध एक बैटरी विकसित करने के लिए एक विशेष तरलीकृत गैस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करता है जो पहली बार माइनस 60 डिग्री सेल्सियस के वातावरण में अच्छा प्रदर्शन बनाए रख सकता है। उनमें से, तरलीकृत गैस इलेक्ट्रोलाइट एक गैस है जिसे दबाव लागू करके तरलीकृत किया जाता है और पारंपरिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में कम तापमान के लिए अधिक प्रतिरोधी होता है।

लेकिन इस प्रकार के इलेक्ट्रोलाइट में एक दोष है; तरल से गैस में बदलना आसान है। चेन ने कहा: "यह समस्या इस इलेक्ट्रोलाइट के लिए सबसे बड़ी सुरक्षा समस्या है।" तरल अणुओं को संघनित करने और इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट को तरल अवस्था में रखने के लिए दबाव बढ़ाने की आवश्यकता होती है।

चेन की प्रयोगशाला ने इस समस्या को हल करने के लिए कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो में नैनोइंजीनियरिंग के प्रोफेसर मेंग और टॉड पास्कल के साथ सहयोग किया। पास्कल जैसे कंप्यूटिंग विशेषज्ञों की विशेषज्ञता को चेन और मेंग जैसे शोधकर्ताओं के साथ जोड़कर, बहुत अधिक दबाव को जल्दी से लागू किए बिना वाष्पीकृत इलेक्ट्रोलाइट को द्रवीभूत करने के लिए एक विधि विकसित की गई है। ऊपर उल्लिखित कार्मिक कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के सामग्री अनुसंधान विज्ञान और इंजीनियरिंग केंद्र (MRSEC) से संबद्ध हैं।

यह विधि एक भौतिक घटना से उधार लेती है जिसमें छोटे नैनो-स्केल रिक्त स्थान में फंसने पर गैस के अणु अनायास संघनित हो जाते हैं। इस घटना को केशिका संघनन कहा जाता है, जो गैस को कम दबाव में तरल बना सकता है। शोध दल ने इस घटना का उपयोग बैटरी विभाजक बनाने के लिए किया जो अल्ट्रा-लो तापमान बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट को स्थिर कर सकता है, फ्लोरोमेथेन गैस से बने तरलीकृत गैस इलेक्ट्रोलाइट। शोधकर्ताओं ने झिल्ली बनाने के लिए धातु-कार्बनिक ढांचे (एमओएफ) नामक एक छिद्रपूर्ण क्रिस्टलीय सामग्री का उपयोग किया। एमओएफ की अनूठी बात यह है कि यह छोटे छिद्रों से भरा होता है, जो फ्लोरोमीथेन गैस के अणुओं को फंसा सकता है और अपेक्षाकृत कम दबाव में उन्हें संघनित कर सकता है। उदाहरण के लिए, फ्लोरोमीथेन आमतौर पर माइनस 30 डिग्री सेल्सियस पर सिकुड़ता है और इसमें 118 साई का बल होता है; लेकिन अगर MOF का उपयोग किया जाता है, तो उसी तापमान पर झरझरा का संघनन दबाव केवल 11 psi होता है।

चेन ने कहा: "यह एमओएफ इलेक्ट्रोलाइट के काम करने के लिए आवश्यक दबाव को काफी कम कर देता है। इसलिए, हमारी बैटरी कम तापमान पर बिना गिरावट के बड़ी मात्रा में क्षमता प्रदान कर सकती है।" शोधकर्ताओं ने लिथियम-आयन बैटरी में एमओएफ-आधारित विभाजक का परीक्षण किया। . लिथियम-आयन बैटरी में फ्लोरोकार्बन कैथोड और लिथियम मेटल एनोड होता है। यह इसे 70 साई के आंतरिक दबाव पर एक गैसीय फ्लोरोमीथेन इलेक्ट्रोलाइट से भर सकता है, जो फ्लूरोमीथेन को द्रवित करने के लिए आवश्यक दबाव से बहुत कम है। बैटरी अभी भी अपनी कमरे के तापमान क्षमता का 57% माइनस 40 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रख सकती है। इसके विपरीत, एक ही तापमान और दबाव पर, फ्लोरोमेथेन युक्त गैसीय इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली एक वाणिज्यिक डायाफ्राम बैटरी की शक्ति लगभग शून्य होती है।

एमओएफ सेपरेटर पर आधारित माइक्रोप्रोर्स प्रमुख हैं क्योंकि ये माइक्रोप्रोर्स कम दबाव में भी बैटरी में अधिक इलेक्ट्रोलाइट्स को प्रवाहित कर सकते हैं। वाणिज्यिक डायाफ्राम में बड़े छिद्र होते हैं और कम दबाव में गैसीय इलेक्ट्रोलाइट अणुओं को बनाए नहीं रख सकते हैं। लेकिन इन परिस्थितियों में डायाफ्राम अच्छी तरह से काम करने का एकमात्र कारण माइक्रोप्रोसिटी नहीं है। शोधकर्ताओं द्वारा डिजाइन किया गया डायाफ्राम भी छिद्रों को एक छोर से दूसरे छोर तक एक निरंतर पथ बनाने की अनुमति देता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि लिथियम आयन डायाफ्राम के माध्यम से स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सकते हैं। परीक्षण में, माइनस 40 डिग्री सेल्सियस पर नए डायाफ्राम का उपयोग करने वाली बैटरी की आयनिक चालकता वाणिज्यिक डायाफ्राम का उपयोग करने वाली बैटरी की दस गुना है।

चेन की टीम वर्तमान में अन्य इलेक्ट्रोलाइट्स पर एमओएफ-आधारित विभाजकों का परीक्षण कर रही है। चेन ने कहा: "हमने समान प्रभाव देखा है। इस एमओएफ को स्टेबलाइज़र के रूप में उपयोग करके, विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट अणुओं को बैटरी सुरक्षा में सुधार के लिए adsorbed किया जा सकता है, जिसमें वाष्पशील इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ पारंपरिक लिथियम बैटरी शामिल हैं।"

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