जलवायु परिवर्तन के खिलाफ लड़ाई में सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक ऊर्जा भंडारण है।जीवाश्म ईंधन अनिवार्य रूप से खुद को संग्रहीत करता है, अपनी ऊर्जा को अपने रासायनिक बंधनों के अंदर बंद कर देता है।लेकिन आप हवा और सूरज की शक्ति जैसी अधिक टिकाऊ, लेकिन अन्यथा अल्पकालिक, ऊर्जा के रूपों को कैसे संग्रहीत करते हैं?

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग (एमएसई) में एसोसिएट प्रोफेसर एरिक डेटसी के लिए, उत्तर बैटरी है, इस चेतावनी के साथ कि बैटरी भविष्य की ऊर्जा मांगों को पूरा करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है - अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी का अनुमान है कि दुनिया भर में बैटरी क्षमता को 2030 तक बढ़ाने की आवश्यकता होगी।अभी तक अस्तित्व में नहीं है.

आज उपयोग की जाने वाली अधिकांश बैटरियों में, अलार्म घड़ियों जैसे घरेलू उपकरणों में डिस्पोजेबल क्षारीय बैटरियों से लेकररिचार्जेबल लिथियम-आयन बैटरीसंकर में औरइलेक्ट्रिक वाहन, वे इलेक्ट्रोड जिनके बीच आयन प्रवाहित होते हैं, आमतौर पर बने होते हैंठोस सामग्रीपसंदधातु आक्साइडया ग्रेफाइट.लेकिन, जैसा कि डेट्सी बताते हैं, बैटरी को चार्ज करने और डिस्चार्ज करने का प्रत्येक चक्र सामग्री को नुकसान पहुंचाता है, क्योंकि इलेक्ट्रोड फैलते और सिकुड़ते हैं, कभी-कभी 300% तक, जो एक कारण है कि रिचार्जेबल बैटरी भी धीरे-धीरे क्षमता खो देती हैं और अंततः विफल हो जाती हैं।.

डेट्सी कहते हैं, "ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता है जो उच्च-प्रदर्शन वाली बैटरियों में उपयोग के लिए बड़ी मात्रा में लिथियम, सोडियम और मैग्नीशियम को संग्रहीत कर सकें।""समस्या यह है कि बैटरी सामग्री जितना अधिक लिथियम, सोडियम या मैग्नीशियम संग्रहित कर सकती है, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान यह उतना ही अधिक फैलता और सिकुड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप भारी मात्रा में परिवर्तन होता है।"

लिथियम-आयन बैटरी के जनक में से एक, 2019 के अंत में नोबेल पुरस्कार विजेता जॉन गुडएनफ सहित कुछ शोधकर्ताओं ने हाल ही में तरल इलेक्ट्रोड के साथ बैटरी विकसित करना शुरू किया है, जो उनकी मात्रा बदलने पर टूटती नहीं हैं।लेकिन तरल इलेक्ट्रोड अन्य चुनौतियाँ पेश करते हैं, अर्थात् पानी के गुब्बारे की तरह व्यवहार करने वाली बैटरियों का सुरक्षित रूप से निर्माण और उपयोग करने में कठिनाई।दूसरे शब्दों में, केवल बड़ी या तरल बैटरियां बनाने से काम नहीं चलेगा - भविष्य की बैटरियों को डिजाइन करने के लिए शोधकर्ताओं को पूरी तरह से नई सामग्री बनाने की आवश्यकता होगी।

इसके अलावा, आम तौर पर बड़े पैमाने पर उत्पादित, रिचार्जेबल बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले कई तत्व - जैसे लिथियम और कोबाल्ट - तेजी से महंगे होते जा रहे हैं, मानवाधिकारों के हनन में भी उलझे हुए हैं, क्योंकि बैटरियों की मांग बढ़ रही है।(पिछले साल, नॉटिंघम विश्वविद्यालय के प्रोफेसर सिद्दार्थ कारा ने "कोबाल्ट रेड: हाउ द ब्लड ऑफ द कांगो पॉवर्स अवर लाइव्स" प्रकाशित किया था, जो कांगो लोकतांत्रिक गणराज्य में निराशाजनक श्रम प्रथाओं के बारे में एक खुलासा था, जो तीन का उत्पादन करता है-विश्व का एक चौथाई कोबाल्ट।)

"उभरने के लिए उच्च प्रदर्शन वाली बैटरियों की आवश्यकता हैऊर्जा भंडारणग्रिड-स्केल स्टोरेज और इलेक्ट्रिक वाहनों जैसे अनुप्रयोगों ने मुझे बैटरी के लिए सामग्री का अध्ययन करने के लिए प्रेरित किया," डेट्सी कहते हैं।

इस उद्देश्य से, उनका समूह मुख्य रूप से सोडियम और मैग्नीशियम से बनी बैटरियों का अध्ययन कर रहा है, जो सस्ती हैं और नैतिक रूप से कम जोखिम भरी हैं क्योंकि सोडियम और मैग्नीशियम पृथ्वी की परत में प्रचुर मात्रा में हैं।इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि अमेरिका में सोडियम और मैग्नीशियम संसाधन प्रचुर मात्रा में हैं। उदाहरण के लिए, अमेरिकी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण (यूएसजीएस) के अनुसार, दुनिया के सोडियम कार्बोनेट (सोडा ऐश) के भंडार का 68.8% और दुनिया के सोडियम क्लोराइड (नमक) का 14.5% है।जो सोडियम बनाने के लिए आवश्यक हैं, यू.एस. में पाए जाते हैं।

डेट्सी का समूह इन धातुओं का उपयोग ऐसे इलेक्ट्रोड विकसित करने के लिए कर रहा है जो चार्ज चक्र के दौरान क्षति से बचने के लिए तरल और ठोस अवस्थाओं के बीच बदलाव करते हैं जबकि निर्माण करना अभी भी आसान है।

डेट्सी कहते हैं, "जब सामग्री ठोस चरण में होती है, तो चार्ज भंडारण के दौरान होने वाले भारी मात्रा में परिवर्तन के कारण यह खराब होना शुरू हो जाएगी।""हालांकि, जब सामग्री ठोस से तरल में बदल जाती है, तो यह मात्रा-परिवर्तन-प्रेरित गिरावट से उबरकर खुद को 'ठीक' कर लेती है।"

सबसे पहले, डेट्सी ने एनोड का उपयोग करके इस दृष्टिकोण की व्यवहार्यता का प्रदर्शन किया - इलेक्ट्रोड जो चार्जिंग के दौरान आयन एकत्र करता है - डाइमैग्नेशियम पेंटागैलाइड (एमजी) से बना है₂गा₅), मैग्नीशियम और गैलियम का मिश्रण, जिनमें से गैलियम का गलनांक कम होता है, जिससे ऐसी मिश्रधातुओं के लिए ठोस से तरल में स्थानांतरित करना आसान हो जाता है।

2019 में, डेट्सी की लैब ने एमएसई, मैकेनिकल इंजीनियरिंग और एप्लाइड मैकेनिक्स (एमईएएम) और बायोइंजीनियरिंग (बीई) में विवेक शेनॉय, एडुआर्डो डी. ग्लैंड्ट प्रेसिडेंट के प्रतिष्ठित प्रोफेसर के साथ मिलकर दिखाया कि एमजी से बने सेल्फ-हीलिंग एनोड2_गा5_{1,000 से अधिक चार्ज चक्रों का सामना कर सकता है} .डेट्सी कहते हैं, "हमारे काम से पहले, अत्याधुनिक मैग्नीशियम-आयन बैटरी एनोड का चक्र जीवन केवल 200 चक्र था।"

दूसरे शब्दों में, स्व-उपचार एनोड के जुड़ने से मैग्नीशियम-आयन बैटरियों का प्रारंभिक जीवनकाल कई गुना बढ़ गया।

इस साल की शुरुआत में, डेट्सी की प्रयोगशाला ने गैलियम-इंडियम एनोड का उपयोग करके लिफ़ाफ़े को और भी आगे बढ़ाया, जो कमरे के तापमान पर पिघल जाता है, जो संभावित रूप से व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए द्वार खोलता है।प्रायोगिक एनोड 91% बैटरी क्षमता बरकरार रखते हुए 2,000 चार्जिंग चक्रों तक जीवित रहा।डेट्सी कहते हैं, "यह अभूतपूर्व है।"संदर्भ के लिए, iPhone 15 80% बैटरी क्षमता बरकरार रखते हुए 1,000 चार्जिंग चक्रों को बनाए रख सकता है।

परियोजना को आगे बढ़ाने के लिए, डेट्सी और उनके सह-लेखक - लिन वांग और अलेक्जेंडर एनजी, हाल ही में पीएच.डी.स्नातकों और पोस्टडॉक्टरल फेलो रोक्साना फैमिली ने एक्स-रे विवर्तन, एक्स-रे स्कैटरिंग, एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी और क्रायोजेनिक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सहित सामग्री के ठोस से तरल में परिवर्तन को बेहतर ढंग से समझने के लिए विभिन्न प्रकार की उन्नत इमेजिंग तकनीकों का इस्तेमाल किया।बाद की तकनीक में स्व-उपचार प्रक्रिया का बेहतर अध्ययन करने के लिए विभिन्न चरणों में तरल धातु एनोड को फ्रीज करना शामिल है, जैसा कि डेट्सी और उनके समूह ने एक में वर्णित किया है।2023 पेपरमें प्रकाशितएसीएस ऊर्जा पत्र.

लगभग एक दशक पहले, जब डेट्सी और उनके समूह ने सेल्फ-हीलिंग सोडियम- और मैग्नीशियम-आयन बैटरी की अवधारणा की खोज शुरू की, तो शायद ही किसी ने उनके विचारों को गंभीरता से लिया।

डेट्सी कहते हैं, "मुझे याद है कि सोडियम-आयन बैटरियों पर हमारे प्रस्तावों में से एक के समीक्षक ने पूछा था कि अगर सोडियम-आयन बैटरियां इतनी बढ़िया हैं तो उनका व्यावसायीकरण क्यों नहीं किया जाता है।""उस समय, सोडियम-आयन बैटरी विकसित करने वाली केवल एक स्टार्टअप कंपनी थी। अब दुनिया भर में कई हैं।"