बैटरियां स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों तक हर चीज को शक्ति प्रदान करती हैं, उनका प्रदर्शन इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच महत्वपूर्ण इंटरफेस पर निर्भर करता है।पेन स्टेट और उद्योग शोधकर्ताओं ने इस इंटरफ़ेस को उच्च रिज़ॉल्यूशन पर देखने के लिए एक विधि विकसित की है, जो संभावित रूप से बैटरी दक्षता और जीवनकाल में सुधार के नए तरीके प्रकट कर सकती है।

वेप्रकाशितमें उनके परिणामअमेरिकी रसायन सोसाइटी का जर्नल.

इलेक्ट्रोड एक कंडक्टर है, धातु की छड़ या प्लेट की तरह, जो एक प्रकार के प्रवेश द्वार के रूप में कार्य करता है जो बिजली को बैटरी में प्रवेश करने और छोड़ने की अनुमति देता है।बैटरी में दो प्रकार होते हैं: एनोड, जो नकारात्मक इलेक्ट्रोड होते हैं, और कैथोड, जो सकारात्मक होते हैं।इलेक्ट्रोलाइट्स वह तरल माध्यम है जो संचालन करता हैआयनोंएनोड और कैथोड के बीच, विद्युत धारा के प्रवाह को सक्षम करना।

इलेक्ट्रोड''इलेक्ट्रोलाइटइंटरफ़ेस वह सीमा है जहां ठोस इलेक्ट्रोड और तरल इलेक्ट्रोलाइट मिलते हैं।यह इंटरफ़ेस आयनों और विलायक अणुओं के संचय, क्षय और स्थानांतरण शुल्क को प्रभावित करके बैटरी के प्रदर्शन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

ऊर्जा और खनिज इंजीनियरिंग में स्नातक अनुसंधान सहायक और अध्ययन के पहले लेखक जियानवेई लाई के अनुसार, इस इंटरफ़ेस के व्यवहार को समझना, विशेष रूप से इलेक्ट्रिक डबल लेयर (ईडीएल), अधिक कुशल और टिकाऊ बैटरी डिजाइन करने के लिए आवश्यक है।

लाई ने कहा, "ईडीएल आयन प्रवासन और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को नियंत्रित करता है जो बैटरी में विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्षम बनाता है।""इसलिए दोहरी परत का अध्ययन करना सर्वोच्च प्राथमिकता है-यह सीधे बैटरी प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है।"

हालाँकि, चुनौती यह है कि यह इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट डबल परत अति-छोटे पैमाने पर मौजूद है और लागू वोल्टेज के आधार पर अत्यधिक गतिशील, बदलती संरचना है।जैसे ही वोल्टेज बदलता है, परत में आयनों और अणुओं की व्यवस्था बदल जाती है।

इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट परत में बदलाव बैटरी को कम कुशल बना सकता है, इसकी ऊर्जा भंडारण को कम कर सकता है और इसके जीवन को छोटा कर सकता है, जैसे कि जब आयन गलत स्थानों पर फंस जाते हैं तो बिजली का सुचारू प्रवाह धीमा हो जाता है, ठीक उसी तरह जैसे ट्रैफिक जाम कारों की गति को धीमा कर देता है।एक राजमार्ग पर.

"ईडीएल नैनोमीटर पैमाने के आसपास है, इसलिए इसका वर्णन करना बहुत कठिन है," लाई ने समझाया।"और संरचना स्थिर नहीं है - यह लागू चार्ज पर अत्यधिक निर्भर है, जिससे सीधे अध्ययन करना बहुत चुनौतीपूर्ण हो जाता है।"

अतीत में, वैज्ञानिकों ने ईडीएल की संरचना को समझने के लिए सैद्धांतिक मॉडल का उपयोग किया है।वोल्टामेट्री, पारंपरिक इलेक्ट्रोकेपिलैरिटी और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी पारंपरिक माप विधियां अप्रत्यक्ष-लेकिन सटीक-संकेत प्रदान कर सकती हैं।लाई ने कहा, यह आज की बैटरियों में अधिक जटिल प्रणालियों के लिए विशेष रूप से समस्याग्रस्त है, जिसमें बैटरी को स्टोर करने और अधिक ऊर्जा जारी करने में मदद करने के लिए जटिल नमक समाधान शामिल हैं।

इन बाधाओं को दूर करने के लिए, लाई और टीम ने इलेक्ट्रोकेपिलैरिटी का एक नया, बेहतर संस्करण विकसित किया।यह तकनीक मापती है कि वोल्टेज लागू होने पर इंटरफ़ेस की सतह का तनाव कैसे बदलता है।

शोधकर्ताओं का नया दृष्टिकोण इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस में तेजी से बदलाव को पकड़ने के लिए उन्नत सेंसर और उपकरणों का उपयोग करता है।उन्होंने न केवल समग्र मूल्यांकन के लिए नए विश्लेषणात्मक तरीके विकसित किएइंटरफ़ेशियल तनावबल्कि इंटरफ़ेस पर आयनों का विशिष्ट वितरण और संभावित विविधताएं भी हैं, जो बैटरी प्रदर्शन की स्पष्ट और अधिक विस्तृत समझ प्रदान करती हैं।

इन मापों के साथ, लाई ने कहा, वे अभूतपूर्व विवरण के साथ दोहरी परत संरचना और संभावित प्रोफ़ाइल को मैप कर सकते हैं।

लाई ने कहा, "पारंपरिक तरीकों की तुलना में, हमारा उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृष्टिकोण डेटा रिज़ॉल्यूशन में 50 से 100 गुना सुधार करता है।""हम यह पता लगा सकते हैं कि दोहरी परत प्रत्येक व्यक्तिगत वोल्टेज या क्षमता को कैसे देखती है। यह गतिशील प्रकृति कुछ ऐसी है जिसे पारंपरिक तरीके पकड़ नहीं सकते।"

शोधकर्ताओं ने जिंक बैटरी इलेक्ट्रोलाइट्स का पता लगाने के लिए अपनी उन्नत तकनीक का उपयोग किया, जो बैटरी उत्पादन के लिए एक तेजी से लोकप्रिय विकल्प है क्योंकि वे सुरक्षित और सस्ते हैं।हालांकि, यह पता लगाना कि इलेक्ट्रोलाइट की सतह इलेक्ट्रोड के साथ कैसे संपर्क करती है - और आयन इस सतह पर कैसे चलते हैं - मुश्किल हो गया है, लाई ने कहा।

जिस तरह से आयन सतह पर चलते हैं, उससे बैटरी कितनी कुशलता से संचालित होती है, इस पर असर पड़ता है, इसलिए इस इंटरैक्शन को समझने से बेहतर बैटरी विकसित करने में अंतर्दृष्टि मिल सकती है।अपनी नई तकनीक के साथ, टीम ने पाया कि अधिक जिंक आयन दोहरी परत में इकट्ठा होते हैं, जिससे बैटरी तेजी से और अधिक कुशलता से चार्ज होती है।

उनके विश्लेषण से पता चला कि जिंक आयनों को क्लोराइड आयनों द्वारा सही स्थिति में निर्देशित किया जाता है, जो इलेक्ट्रोड की सतह के करीब चिपक जाते हैं, जिससे अधिक जिंक आयनों को सही स्थान पर निर्देशित करने में मदद मिलती है।

लाई ने कहा, "यह रणनीति चार्जिंग को गति देती है और जिंक आयनों को चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान तेजी से आगे बढ़ने में मदद करके बैटरी को अधिक कुशल बनाती है।""अब हम देख सकते हैं कि यह व्यवस्था कितनी अनोखी है और यह कैसे समग्र प्रदर्शन में सुधार करती है, जिससे बैटरियां अधिक प्रभावी और विश्वसनीय हो जाती हैं।"

लाई के अनुसार, बैटरी के ये हिस्से एक साथ कैसे काम करते हैं, इसका स्पष्ट दृष्टिकोण होने से, वैज्ञानिक इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच की छोटी-छोटी अंतःक्रियाओं को बेहतर ढंग से माप और पकड़ सकते हैं - जिससे उन्हें यह समझने में मदद मिलती है कि कुछ इलेक्ट्रोलाइट घटकों या आयन डिज़ाइन में सुधार क्यों हो सकता है।बैटरीप्रदर्शन।अनिवार्य रूप से, तकनीक यह समझने के लिए एक सार्वभौमिक मंच के रूप में काम कर सकती है कि इलेक्ट्रोलाइट बेहतर क्यों काम करता है, जो भविष्य में अधिक कुशल बैटरी के डिजाइन का मार्गदर्शन कर सकता है।

लाई ने कहा, "ऊर्जा भंडारण के लिए बेहतर, अधिक कुशल और विश्वसनीय इलेक्ट्रोलाइट्स डिजाइन करने में हमारी मदद के लिए इस महत्वपूर्ण इंटरफ़ेस को समझना आवश्यक है।"

"यदि हम व्यक्तिगत आयन संविधान और इंटरफेशियल संभावित प्रोफ़ाइल दोनों को जानते हैं, तो हम वास्तव में समझ सकते हैं कि इंटरफ़ेस कैसे संरचित है। यह कुछ ऐसा है जो पारंपरिक तकनीकों के साथ कभी संभव नहीं था।"

इस अभूतपूर्व स्तर की अंतर्दृष्टि से लैस, लाई ने कहा कि उनका मानना ​​है कि वे इलेक्ट्रोलाइट इंजीनियरिंग में महत्वपूर्ण प्रगति कर सकते हैं और बदले में, बेहतर बैटरी विकसित कर सकते हैं जिसकी भविष्य में स्वच्छ ऊर्जा-संचालित तकनीक की मांग होगी।

लाई ने कहा, "इलेक्ट्रोकेपिलरिटी का आधुनिकीकरण इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण छलांग का प्रतिनिधित्व करता है।""अध्ययन करने के लिए एक सीधी और सटीक विधि प्रदान करकेइलेक्ट्रोडâइलेक्ट्रोलाइटइंटरफ़ेसयह तकनीक शोधकर्ताओं को बैटरी के भीतर होने वाली महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं को बेहतर ढंग से समझने और अनुकूलित करने में सक्षम बनाएगी।

"जैसे-जैसे उच्च प्रदर्शन वाली बैटरियों की मांग बढ़ती जा रही है, यह शोध नवाचार को बढ़ावा देने और सुधार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।"ऊर्जा भंडारणभविष्य के समाधान।"