वैज्ञानिकों ने ठोस-अवस्था लिथियम-आयन बैटरियों के लिए ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में उपयोग के लिए एक स्थिर और अत्यधिक प्रवाहकीय लिथियम-आयन कंडक्टर की खोज की है।

ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स वाली ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन (ली-आयन) बैटरियां गैर-ज्वलनशील होती हैं और उनमें तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में अधिक ऊर्जा घनत्व और स्थानांतरण संख्या होती है।उनसे इलेक्ट्रिक वाहनों जैसी पारंपरिक तरल इलेक्ट्रोलाइट ली-आयन बैटरियों के बाजार में हिस्सेदारी लेने की उम्मीद की जाती है।

हालाँकि, इन फायदों के बावजूद, ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में ली-आयन कम होता हैचालकताऔर पर्याप्त इलेक्ट्रोड-ठोस इलेक्ट्रोलाइट संपर्क प्राप्त करने में चुनौतियां खड़ी करता है।जबकि सल्फाइड-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स प्रवाहकीय होते हैं, वे नमी के साथ प्रतिक्रिया करके विषाक्त हाइड्रोजन डाइसल्फ़ाइड बनाते हैं।इसलिए, सुरक्षित, उच्च-प्रदर्शन और तेजी से चार्ज होने वाली सॉलिड-स्टेट ली-आयन बैटरी बनाने के लिए गैर-सल्फाइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की आवश्यकता होती है जो हवा में प्रवाहकीय और स्थिर दोनों हों।

एक हालिया अध्ययन मेंप्रकाशितमेंसामग्री का रसायन28 मार्च 2024 को, प्रोफेसर केनजिरो फुजीमोटो, टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस के प्रोफेसर अकिहिसा एमी और डेंसो कॉरपोरेशन के डॉ. शुहेई योशिदा के नेतृत्व में एक शोध दल ने पायरोक्लोर-प्रकार के रूप में एक स्थिर और उच्च प्रवाहकीय ली-आयन कंडक्टर की खोज की।ऑक्सीफ्लोराइड.

प्रो. फुजीमोटो के अनुसार, "ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरी बनाना कई बैटरी शोधकर्ताओं का लंबे समय से सपना रहा है। हमने एक ऑक्साइड सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट की खोज की है जो ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम का एक प्रमुख घटक है-आयन बैटरियां, जिनमें उच्च ऊर्जा घनत्व और सुरक्षा दोनों हैं, हवा में स्थिर होने के अलावा, सामग्री पहले बताए गए ऑक्साइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उच्च आयनिक चालकता प्रदर्शित करती है।

इस कार्य में अध्ययन किए गए पाइरोक्लोर-प्रकार ऑक्सीफ्लोराइड को ली के रूप में दर्शाया जा सकता है_{2 एक्स}ला_(1+x)/3एम₂हे₆एफ (एम = एनबी, टा)।इसमें एक्स-रे विवर्तन, रिटवेल्ड विश्लेषण, आगमनात्मक रूप से युग्मित प्लाज्मा ऑप्टिकल उत्सर्जन स्पेक्ट्रोमेट्री और चयनित-क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन सहित विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके संरचनात्मक और संरचनागत विश्लेषण किया गया।

विशेष रूप से, ली_1.25ला_0.58नायब₂हे₆एफ विकसित किया गया था, जो कमरे के तापमान पर 7.0 एमएस सेमी की थोक आयनिक चालकता और 3.9 एमएस सेमी की कुल आयनिक चालकता प्रदर्शित करता है।यह ज्ञात ऑक्साइड ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की लिथियम-आयन चालकता से अधिक पाया गया।इस सामग्री के आयनिक संचालन की सक्रियण ऊर्जा बेहद कम है, और कम तापमान पर इस सामग्री की आयनिक चालकता सल्फाइड-आधारित सामग्रियों सहित ज्ञात ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में सबसे अधिक है।

यहां तक ​​कि 10°C पर भी, नई सामग्री में पारंपरिक ऑक्साइड-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के समान ही चालकता होती है।कमरे का तापमान.इसके अलावा, चूंकि 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर की चालकता भी सत्यापित की गई है, इस ठोस इलेक्ट्रोलाइट की ऑपरेटिंग रेंज 10 डिग्री सेल्सियस से 100 डिग्री सेल्सियस है।पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों का उपयोग शून्य से नीचे के तापमान पर नहीं किया जा सकता है।इसलिए, आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले मोबाइल फोन के लिए लिथियम-आयन बैटरी की परिचालन स्थिति 0 डिग्री सेल्सियस से 45 डिग्री सेल्सियस है।

इस सामग्री में ली-आयन चालन तंत्र की जांच की गई।पाइरोक्लोर-प्रकार की संरचना का चालन पथ MO द्वारा बनाई गई सुरंगों में स्थित F आयनों को कवर करता है₆अष्टफलक.चालन तंत्र एफ आयनों के साथ बंधन बदलते समय ली-आयनों की अनुक्रमिक गति है।ली आयन हमेशा मेटास्टेबल स्थितियों से गुजरते हुए निकटतम ली स्थिति में चले जाते हैं।स्थिर ला³⁺एफ आयन से बंधा हुआ प्रवाहकत्त्व पथ को अवरुद्ध करके और आसपास की मेटास्टेबल स्थितियों को गायब करके ली-आयन चालन को रोकता है।

मौजूदा लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों के विपरीत, ऑक्साइड-आधारित सभी सॉलिड-स्टेट बैटरियों में क्षति के कारण इलेक्ट्रोलाइट रिसाव का कोई खतरा नहीं होता है और सल्फाइड-आधारित बैटरियों की तरह जहरीली गैस उत्पन्न होने का कोई खतरा नहीं होता है।इसलिए, इस नए नवाचार से भविष्य के अनुसंधान को बढ़ावा मिलने की उम्मीद है।

"नई खोजी गई सामग्री सुरक्षित है और पहले बताए गए ऑक्साइड-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उच्च आयनिक चालकता प्रदर्शित करती है। इस सामग्री का अनुप्रयोग क्रांतिकारी बैटरियों के विकास के लिए आशाजनक है जो निम्न से उच्च तक तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में काम कर सकते हैं।"प्रोफेसर फुजिमोतो कहते हैं।"हमारा मानना ​​है कि इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के अनुप्रयोग के लिए आवश्यक प्रदर्शन संतुष्ट है।"

विशेष रूप से, नई सामग्री अत्यधिक स्थिर है और क्षतिग्रस्त होने पर प्रज्वलित नहीं होगी।यह हवाई जहाज और अन्य स्थानों के लिए उपयुक्त है जहां सुरक्षा महत्वपूर्ण है।यह उच्च क्षमता वाले अनुप्रयोगों के लिए भी उपयुक्त है, जैसेइलेक्ट्रिक वाहन, क्योंकि इसका उपयोग उच्च तापमान के तहत किया जा सकता है और तेजी से रिचार्जिंग का समर्थन करता है।इसके अलावा, यह बैटरी, घरेलू उपकरणों और चिकित्सा उपकरणों के लघुकरण के लिए भी एक आशाजनक सामग्री है।

संक्षेप में, शोधकर्ताओं ने न केवल उच्च चालकता और वायु स्थिरता के साथ एक ली-आयन कंडक्टर की खोज की है, बल्कि पायरोक्लोर-प्रकार ऑक्सीफ्लोराइड के साथ एक नए प्रकार के सुपरियोनिक कंडक्टर भी पेश किया है।लिथियम के आसपास की स्थानीय संरचना, संचालन के दौरान उनके गतिशील परिवर्तन और उनकी क्षमता की खोज करनाठोस इलेक्ट्रोलाइट्सऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए भविष्य के अनुसंधान के लिए महत्वपूर्ण क्षेत्र हैं।