न्यूज़वाइज – एक संकेत जो बैटरी के अंदर आयनों को घूमते हुए दिखाता है, वह वास्तव में एक असमान सतह के कारण होने वाला भ्रम हो सकता है। केएआईएसटी अनुसंधान दल ने इस प्रकार की कलाकृतियों की उत्पत्ति की पहचान की है, जो शोधकर्ताओं को बैटरी के अंदर क्या हो रहा है, इसकी गलत व्याख्या करने के लिए प्रेरित कर सकती है, और इसे कम करने के लिए एक विधि विकसित की है। निष्कर्षों से आयन आंदोलन के अधिक सटीक विश्लेषण को सक्षम करने और ठोस-अवस्था और सोडियम-आयन बैटरी सहित अगली पीढ़ी की बैटरी सामग्री के विकास में विश्वसनीयता में सुधार करने की उम्मीद है।
KAIST (राष्ट्रपति चोंगसिक बे) ने 7 सितंबर को घोषणा की कि सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर सेउंगबम होंग के नेतृत्व में एक शोध दल ने उसी विभाग के प्रोफेसर जोंग मिन युक और रसायन और बायोमोलेक्युलर इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर नाम-सून चोई के शोध समूहों के सहयोग से एक माप विरूपण साक्ष्य के कारण की पहचान की है जिसे नैनोस्केल बैटरी विश्लेषण में गलत किया जा सकता है। टीम ने इस कलाकृति को प्रभावी ढंग से कम करने के लिए एक विधि भी प्रस्तावित की।
चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान, लिथियम या सोडियम आयन बैटरी के भीतर आगे-पीछे होते हैं। जिस गति और आसानी से ये आयन चलते हैं वह बैटरी के प्रदर्शन और जीवनकाल को प्रभावित करता है। इसलिए, बेहतर बैटरियां विकसित करने के लिए शोधकर्ताओं को सटीक रूप से यह निर्धारित करने की आवश्यकता होती है कि आयन कहाँ स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं और कहाँ उनकी गति बाधित होती है।
इस प्रकार के विश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली एक तकनीक इलेक्ट्रोकेमिकल स्ट्रेन माइक्रोस्कोपी (ईएसएम) है, जो परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) पर आधारित है। ईएसएम एक बेहद बारीक टिप के साथ बैटरी सामग्री की सतह को स्कैन करता है और आयन आंदोलन से जुड़ी सामग्री में नैनोस्केल परिवर्तनों को मापता है, जिससे शोधकर्ताओं को अप्रत्यक्ष रूप से आयन परिवहन का पालन करने की अनुमति मिलती है।
समस्या यह है कि जब बैटरी सामग्री की सतह खुरदरी होती है, तो वास्तविक आयन गति की अनुपस्थिति में भी समान संकेत दिखाई दे सकते हैं। यदि इन संकेतों की व्याख्या आयन परिवहन के प्रमाण के रूप में की जाती है, तो शोधकर्ता गलत तरीके से पहचान सकते हैं कि आयन सामग्री के भीतर कहाँ जा रहे हैं।
इन कलाकृतियों की उत्पत्ति की जांच करने के लिए, टीम ने आयनिक रूप से निष्क्रिय एकल क्रिस्टल सिलिकॉन के नमूने की सतह पर बारीक खांचे बनाए। इसने एक प्रायोगिक वातावरण प्रदान किया जहां कोई भी आयन गति नहीं कर रहा था, जबकि नमूना सतह असमान रही।
परिणामों ने मात्रात्मक रूप से प्रदर्शित किया कि केवल सतह की ऊंचाई में भिन्नता ही माइक्रोस्कोप टिप और नमूने के बीच संपर्क की डिग्री को बदल सकती है, जिससे वास्तविक आयन गति द्वारा उत्पन्न संकेतों के समान संकेत उत्पन्न होते हैं।
वास्तविक बैटरी सामग्री में भी यही घटना देखी गई है। जब टीम ने ग्रेफाइट एनोड और ठोस सोडियम Na₂Zn₂TeO₆ इलेक्ट्रोलाइट को देखा, तो ESM सिग्नल भी सतह स्थलाकृति के साथ भिन्न थे। इससे पुष्टि हुई कि समस्या किसी विशेष सामग्री तक सीमित नहीं है, बल्कि एक ऐसी घटना है जिसे शोधकर्ताओं को बैटरी सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला का नैनोस्केल विश्लेषण करते समय ध्यान में रखना होगा।
समाधान के रूप में, टीम ने बैटरी सामग्री की सतहों को यथासंभव चिकनी और सपाट बनाने का प्रस्ताव रखा। इसे प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक कूलिंग क्रॉस-सेक्शन पॉलिशर (सीसीपी) का उपयोग किया, जो नमूने के क्रॉस-सेक्शन को सटीक रूप से पॉलिश करने के लिए एक आर्गन (एआर) आयन बीम का उपयोग करता है। क्योंकि अधिकांश परिस्थितियों में आर्गन रासायनिक रूप से निष्क्रिय है, यह तकनीक नमूने के गुणों में महत्वपूर्ण बदलाव किए बिना सतह को सटीक रूप से मशीनीकृत करने की अनुमति देती है।
इस उपचार ने सतह की खुरदरापन को काफी हद तक कम कर दिया और बदले में असमान सतहों के कारण होने वाली माप कलाकृतियों में कमी आई। यह तंत्र ऊबड़-खाबड़ सड़क पर यात्रा करते समय ऊपर और नीचे चलती कार के समान है: जैसे-जैसे स्कैनिंग टिप बैटरी सामग्री की सतह पर ऊंचाई भिन्नता से गुजरती है, टिप और नमूने के बीच संपर्क की डिग्री बदल जाती है। ये परिवर्तन वास्तविक आयन गति द्वारा उत्पन्न संकेतों के समान संकेत उत्पन्न कर सकते हैं।
विशेष रूप से, टीम ने अनाज की सीमाओं पर पाए गए संकेतों की जांच की – वे इंटरफेस जहां बैटरी सामग्री बनाने वाले छोटे क्रिस्टल मिलते हैं, आसन्न प्लेटों के बीच के सीम की तरह।
सतह को चिकना करने से पहले, इन सीमाओं पर मजबूत ईएसएम सिग्नल दिखाई दिए। हालाँकि, सतह को पॉलिश करने के बाद, उन्नत सिग्नल गायब हो गए। यह खोज इंगित करती है कि कुछ संकेतों को पहले “आयन परिवहन को सुविधाजनक बनाने वाले मार्गों” के प्रमाण के रूप में व्याख्या किया गया था, जो वास्तव में वास्तविक आयन आंदोलन के बजाय सतह की ऊंचाई में भिन्नता के परिणामस्वरूप हो सकते हैं।
यह अध्ययन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है कि नैनोस्केल बैटरी विश्लेषण में इस प्रकार की माप कलाकृतियां कैसे होती हैं और दिखाती हैं कि बैटरी-सामग्री सतहों को चिकना करने के व्यावहारिक दृष्टिकोण का उपयोग करके इसे कम किया जा सकता है।
निष्कर्षों से इस बात की अधिक सटीक समझ मिलने की उम्मीद है कि आयन कहाँ स्वतंत्र रूप से चलते हैं और कहाँ उनकी गति बैटरी में बाधित होती है। ऐसी जानकारी बैटरी सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए एक महत्वपूर्ण आधार प्रदान कर सकती है जो आयन परिवहन की सुविधा प्रदान करती है, जिससे तेजी से चार्जिंग और लंबी बैटरी जीवन संभव हो पाता है।
टीम को उम्मीद है कि यह विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण न केवल व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली लिथियम-आयन बैटरी पर लागू होगा, बल्कि अगली पीढ़ी की बैटरी प्रणालियों पर भी लागू होगा। इनमें सॉलिड-स्टेट बैटरियां शामिल हैं, जो तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के बजाय ठोस का उपयोग करती हैं, और सोडियम-आयन बैटरियां, जो लिथियम आयनों के बजाय सोडियम आयनों का उपयोग करती हैं। यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को अधिक सटीक रूप से यह समझने में मदद कर सकता है कि ये बैटरियां कैसे काम करती हैं और नई सामग्रियों के डिजाइन का समर्थन करती हैं।
इसके अलावा, विश्वसनीय नैनोस्केल विश्लेषण डेटा का संचय कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) और मशीन लर्निंग अनुसंधान के लिए उच्च गुणवत्ता वाले प्रशिक्षण डेटासेट प्रदान कर सकता है, जिसका उद्देश्य नई बैटरी सामग्री को डिजाइन करना और उनके प्रदर्शन की भविष्यवाणी करना है।
प्रोफेसर होंग ने कहा, “यह शोध स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि सतह की ऊंचाई में भिन्नता नैनोस्केल पर बैटरी सामग्री के विश्लेषण परिणामों को कैसे प्रभावित करती है।” “हमें उम्मीद है कि हमारे निष्कर्ष बैटरी के भीतर आयन आंदोलन की अधिक सटीक ट्रैकिंग को सक्षम करेंगे और अगली पीढ़ी की बैटरी सामग्री के कामकाजी तंत्र और बेहतर सामग्री के डिजाइन को समझने में योगदान देंगे।”
सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में पीएचडी छात्र डोंगयान चेन, अध्ययन के पहले लेखक थे, जो में प्रकाशित हुआ था छोटे तरीकेसामग्री विज्ञान और नैनो प्रौद्योगिकी में विशेषज्ञता वाली एक अंतरराष्ट्रीय पत्रिका।
※ पेपर शीर्षक: “बैटरी सामग्री में लूप-विलंब फीडबैक-प्रेरित संपर्क कठोरता भिन्नता से उत्पन्न डार्ट-ईएसएम में स्थलाकृतिक क्रॉसस्टॉक का मात्रात्मक विश्लेषण”
डीओआई: https://doi.org/10.1002/smtd.70763
इस कार्य को कोरियाई सरकार के विज्ञान और आईसीटी (एमएसआईटी) मंत्रालय (संख्या आरएस-2026-25468150 और आरएस-2023-00247245) द्वारा वित्त पोषित नेशनल रिसर्च फाउंडेशन ऑफ कोरिया (एनआरएफ) अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था।
