नया कंपोजिट मटीरियल एल्युमिनियम बैटरियों को स्थिर और टिकाऊ बना सकता है

शोधकर्ताओं ने एक ऐसा नया कंपोजिट इलेक्ट्रोड मटीरियल बनाया गया है जो एल्युमिनियम-आयन बैटरियों में दरारें और नुकसान होने से रोकने के साथ ही उन्हें किफ़ायती, सुरक्षित और लंबे समय तक चलने वाला बना सकता है।

जैसे-जैसे दुनिया लिथियम-आयन बैटरियों के सुरक्षित और अधिक पर्यावरण-अनुकूल विकल्प खोज रही है, एल्युमिनियम-आधारित बैटरियों पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है। एल्युमिनियम पृथ्वी पर सबसे आम धातुओं में से एक है। यह आसानी से मिल जाता है, सस्ता है और यह लिथियम की तुलना में प्रति परमाणु अधिक मात्रा में इलेक्ट्रिकल चार्ज स्टोर कर सकता है। इन लाभों के कारण, एल्युमिनियम बैटरियां भविष्य की ऊर्जा भंडारण तकनीकों के लिए एक आकर्षक विकल्प बन सकती हैं। हालाँकि, व्यावहारिक एल्युमिनियम बैटरियां बनाना चुनौतीपूर्ण रहा है। इन बैटरियों के अंदर का मटीरियल चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान तेज़ी से टूट जाता है। समय के साथ, ऊर्जा को भंडारित करने वाला पदार्थ टूट सकता है या बैटरी के अंदर के तरल में घुल सकता है, जिससे बैटरी अपनी शक्ति तेज़ी से खो देती है।

कैथोड के लिए शोधकर्ताओं द्वारा इस्तेमाल किया जाने वाला एक लोकप्रिय मटीरियल वैनेडियम ऑक्साइड है। यह मटीरियल बड़ी मात्रा में ऊर्जा को संचित कर सकता है और इसकी परतदार संरचना एल्युमिनियम आयनों को बैटरी के चलने के दौरान अंदर और बाहर जाने देती है। लेकिन, पानी-आधारित एल्युमिनियम बैटरियों में, यह मटीरियल बैटरी के तरल में घुलने लगता है। नतीजतन, बैटरी की क्षमता बहुत तेज़ी से कम हो जाती है और यह लंबे समय तक स्थिर प्रदर्शन बनाए नहीं रख पाती है।

इस लंबे समय से चली आ रही चुनौती को हल करने के लिए, भारत सरकार के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग के एक स्वायत्त संस्थान, नैनो एवं मृदु पदार्थ विज्ञान केंद्र (CeNS), बेंगलुरु की डॉ. कविता पांडे के नेतृत्व में एक शोध टीम ने शिव नादर इंस्टीट्यूशन ऑफ़ एमिनेंस, ग्रेटर नोएडा के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर काम किया।

टीम ने वैनेडियम ऑक्साइड को MXene नामक एक अन्य परतदार पदार्थ के साथ मिलाया। MXene एक बहुत ही पतला पदार्थ है जो बहुत कुशलता से बिजली का संचालन कर सकता है। जब इन दोनों पदार्थ को मिलाया जाता है, तो MXene एक सहायक और संवाहक नेटवर्क बनाता है जो वैनेडियम ऑक्साइड को अपनी जगह पर बनाए रखने में मदद करता है। यह संरचना चिकने रास्ते भी बनाती है जो एल्युमिनियम आयनों को बैटरी के चलने के दौरान ज़्यादा आसानी से घूमने देते हैं।

यह डिज़ाइन बैटरी के तरल में घुलने वाले वैनेडियम की मात्रा को कम करने में मदद करता है। मात्रात्मक विश्लेषण से पता चला कि कंपोजिट पदार्थ में वैनेडियम का घुलना सिर्फ़ 5.4 ppm तक सीमित हो गया था, जबकि शुद्ध V2O5 के लिए यह 28.3 ppm था; यह MXene स्कैफ़ोल्ड की स्थिरीकरण भूमिका का सीधा प्रमाण है। इस बेहतर स्थिरता की वजह से, बैटरी बहुत लंबे समय तक चल पाई। विद्युत रासायनिक परीक्षण से पता चला कि बैटरी ने 100 चार्जिंग साइकिल के बाद भी अपनी मूल क्षमता का 73 प्रतिशत से ज़्यादा हिस्सा बनाए रखा, और 500 साइकिल के बाद भी यह लगभग 59 प्रतिशत पर बनी रही। इसकी तुलना में, मूल सामग्री से बनी बैटरियां अपनी ऊर्जा जमा करने की क्षमता बहुत तेज़ी से खो देती हैं।

टीम ने XRD, XPS और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का इस्तेमाल करके बैटरी सामग्री का अध्ययन किया, ताकि यह समझा जा सके कि बार-बार इस्तेमाल करने के बाद भी यह इतनी अच्छी तरह से काम क्यों करती है। इन अध्ययनों से पता चला कि MXene फ्रेमवर्क इलेक्ट्रोड की संरचना को बनाए रखने में मदद करता है, जिससे बैटरी के संचालन के दौरान आमतौर पर होने वाली दरारें और नुकसान नहीं होते।

एल्युमिनियम बैटरियां स्थिर और टिकाऊ

चित्र: जलीय एल्युमिनियम-आयन बैटरी के लिए V2O5/MXene नैनोकम्पोजिट कैथोड का योजनाबद्ध निरूपण, जहाँ प्रवाहकीय मचान (scaffold) Al3+ की गतिशीलता को बढ़ाता है।

इसके अलावा, कंप्यूटर सिमुलेशन अध्ययनों से पता चला कि MXene परत सामग्री के माध्यम से बिजली के प्रवाह में मदद करने से कहीं ज़्यादा काम करती है। जब दोनों सामग्रियां एक साथ आती हैं, तो उनकी परस्पर क्रिया विद्युत आवेशों की गति को बेहतर बनाती है और ऐसी स्थितियां बनाती है जो एल्युमिनियम आयनों को अधिक आसानी से घूमने और संरचना के भीतर स्थिर स्थितियों में बसने की अनुमति देती हैं। सिमुलेशन से यह भी पता चला कि यह परस्पर क्रिया इस बात को बदल देती है कि सामग्री एल्युमिनियम आयनों को कैसे जमा करती है। MXene परतें एक आंतरिक विद्युत वातावरण बनाने में मदद करती हैं जो बैटरी के अंदर आवेश की गति को तेज़ करता है और सामग्री के भीतर कुछ ऑक्सीजन स्थलों को एल्युमिनियम आयनों को रखने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है। इससे संरचना स्थिर बनी रहती है और सक्रिय सामग्री बैटरी के तरल में घुलने से बच जाती है।

ये शोध निष्कर्ष भविष्य की एल्युमिनियम बैटरियों के लिए मज़बूत और लंबे समय तक चलने वाली सामग्री डिज़ाइन करने के लिए एक महत्वपूर्ण दिशा-निर्देश प्रदान करते हैं, जो कि किफायती, सुरक्षित और टिकाऊ हों।

इस शोध के निष्कर्ष 'जर्नल ऑफ़ पावर सोर्सेज़' में प्रकाशित किए गए हैं।

प्रकाशन लिंक: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.239635

अधिक जानकारी के लिए, कृपया संपर्क करें: डॉ. कविता पांडे ईमेल: kavitapandey[at]cens[dot]res[dot]in