तीन महीने का प्रयोग और असाधारण नतीजा
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन की एक प्रयोगशाला में डॉक्टरेट शोधकर्ता म्या ले थाई ने एक प्रायोगिक इलेक्ट्रोड को बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज किया, जब तक कि वह 2,00,000 चक्रों तक नहीं पहुंच गया। तीन महीने बाद, शोधकर्ताओं को उसकी क्षमता या शक्ति में कोई कमी नहीं मिली और न ही कोई नैनोवायर टूटा हुआ मिला। यूसीआई ने 20 अप्रैल, 2016 को इन नतीजों की घोषणा की, जब यह अध्ययन ACS Energy Letters में प्रकाशित हुआ।
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इस सामग्री में सोने के नैनोवायर, मैंगनीज डाइऑक्साइड की परत और Plexiglas जैसी दिखने वाली जेल इलेक्ट्रोलाइट शामिल थी। इसकी टिकाऊपन ने एक जटिल समस्या का संभावित हल पेश किया: विद्युत ऊर्जा संचित करने में उपयोगी बेहद पतले तार बार-बार इस्तेमाल होने पर टूटने लगते हैं।
इस खोज के साथ यह चौंकाने वाला दावा भी सामने आया कि भविष्य में लैपटॉप की बैटरी 400 साल तक चल सकती है। यह आंकड़ा प्रयोग में पूरे किए गए चक्रों की संख्या को इस्तेमाल की एक अनुमानित दर के आधार पर वर्षों में बदलकर निकाला गया है। वास्तविक उपलब्धि तीन महीने चले परीक्षण में 2,00,000 चक्रों तक टिकने वाला प्रयोगशाला इलेक्ट्रोड था।
घोषणा के लगभग एक दशक बाद भी नैनोवायर का यह नतीजा प्रयोगशाला में अवधारणा के प्रमाण तक ही सीमित है। थाई ने बाद में डॉक्टरेट पूरी की और इलेक्ट्रिक परिवहन के लिए बैटरियों पर शोध करने लगीं। उनका प्रयोग अब भी ध्यान खींचता है, क्योंकि यह बार-बार इस्तेमाल के बावजूद नाजुक बैटरी सामग्री को साबुत रखने का एक तरीका सुझाता है।
पतली जेल परत ने प्रयोग को कैसे बदला
वियतनामी-अमेरिकी शोधकर्ता थाई नैनोवायर पर अध्ययन कर रही थीं, तभी उन्होंने प्रायोगिक संरचना पर जेल की एक पतली परत लगाने की कोशिश की। परीक्षण 10,000 चक्रों और कुछ दिन बाद 30,000 चक्रों तक पहुंचा, फिर भी इलेक्ट्रोड काम करता रहा। आखिरकार परीक्षण 2,00,000 चक्रों तक पहुंचा।
अध्ययन के वरिष्ठ लेखक और उस समय यूसीआई के रसायन विज्ञान विभाग के अध्यक्ष रेजिनाल्ड पेनर ने विश्वविद्यालय की अप्रैल 2016 की घोषणा में इस अप्रत्याशित खोज का वर्णन किया।
म्या प्रयोग कर रही थीं और उन्होंने इस पूरी चीज पर जेल की एक बहुत पतली परत चढ़ाकर उसे बार-बार चक्रित करना शुरू किया," पेनर ने कहा। "उन्होंने पाया कि सिर्फ इस जेल का इस्तेमाल करके वे इसे बिना किसी क्षमता ह्रास के सैकड़ों हजार बार चक्रित कर सकती थीं।
पेनर ने इस नतीजे को आश्चर्यजनक बताया, क्योंकि ऐसी ही संरचनाएं आम तौर पर 5,000 से 7,000 चक्रों के बाद काम करना बंद कर देती थीं। इन सीमाओं की तुलना में यूसीआई इलेक्ट्रोड के 2,00,000 चक्र लगभग 29 से 40 गुना अधिक थे। यह तुलना उन संरचनाओं के मुकाबले सुधार को बताती है जिनका जिक्र पेनर ने किया था।
इस प्रयोग में आकस्मिक पहलू जेल उपचार की सफलता थी। इसका महत्व स्थापित करने के लिए लंबे समय तक परीक्षण जरूरी था: थाई ने महीनों तक इलेक्ट्रोड को चक्रित करना जारी रखा और जांचा कि उसके विद्युत प्रदर्शन या भौतिक संरचना में कोई गिरावट तो नहीं आ रही।
नैनोवायर को सुरक्षा की जरूरत क्यों होती है
नैनोवायर इंसानी बाल से हजारों गुना पतले होते हैं। वे बिजली का अच्छी तरह संचालन करते हैं और अपने आकार के मुकाबले उनका सतही क्षेत्र बड़ा होता है। इस कारण वे इलेक्ट्रोड बनाने के लिए आकर्षक आधार सामग्री हैं। बैटरी का वह हिस्सा जहां विद्युत-रासायनिक प्रतिक्रियाओं के जरिए चार्ज संचित और मुक्त होता है, इलेक्ट्रोड कहलाता है।
बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज होने से इन संरचनाओं पर दबाव पड़ता है। यूसीआई ने बताया कि सामान्य लिथियम-आयन बैटरी में इस्तेमाल के दौरान नैनोवायर फैल सकते हैं और भंगुर हो सकते हैं। फिर उनमें दरारें पड़ सकती हैं और वह सामग्री टूट सकती है, जिसे इलेक्ट्रोड के प्रभावी ढंग से काम करने के लिए जुड़ा रहना जरूरी है।
थाई की प्रायोगिक संरचना के तीन मुख्य हिस्से थे। सोने के नैनोवायर ने अंदरूनी हिस्सा बनाया, उसके चारों ओर मैंगनीज डाइऑक्साइड था और पूरी संरचना पर जेल इलेक्ट्रोलाइट की परत थी। इलेक्ट्रोलाइट आवेशित कणों, जिन्हें आयन कहते हैं, को ऊर्जा-संचय उपकरण के भीतर चलने देता है।
शोधकर्ताओं का मानना था कि जेल ने धातु ऑक्साइड को अधिक लचीला बना दिया। आम भाषा में कहें तो इससे परत में लचीलापन आया होगा और वह बिना टूटे हलचल सह पाई होगी। संरचना साबुत रहने से इलेक्ट्रोड बार-बार के चक्रों में भी अपना प्रदर्शन बनाए रख सका।
यूसीआई ने बताया कि तीन महीने के परीक्षण के बाद जांचे गए इलेक्ट्रोड की क्षमता या शक्ति में कोई कमी नहीं मिली और न ही कोई नैनोवायर टूटा हुआ मिला। क्षमता बताती है कि कोई उपकरण कितना विद्युत आवेश संचित कर सकता है; शक्ति बताती है कि वह ऊर्जा कितनी तेजी से दे सकता है। उपयोगी बैटरी के लिए दोनों मायने रखते हैं।
प्रदर्शन के आंकड़ों का मतलब
यह भी बताया गया कि प्रयोग में औसत कूलॉम्बिक दक्षता 94 से 96 प्रतिशत रही। कूलॉम्बिक दक्षता, डिस्चार्ज के दौरान वापस मिले आवेश की तुलना चार्ज करते समय दिए गए आवेश से करती है। 94 प्रतिशत का अर्थ है कि दिए गए हर 100 इकाई आवेश में से करीब 94 इकाई वापस मिलीं।
क्षमता का बने रहना और कूलॉम्बिक दक्षता प्रदर्शन के अलग-अलग पहलुओं को बताते हैं। क्षमता का बने रहना दिखाता है कि बार-बार इस्तेमाल से इलेक्ट्रोड की भंडारण क्षमता घटती है या नहीं। कूलॉम्बिक दक्षता चक्रों के दौरान अंदर जाने और बाहर आने वाले आवेश को मापती है। कोई इलेक्ट्रोड अपनी भंडारण क्षमता बनाए रखते हुए भी, जितना आवेश लेता है उससे कम वापस दे सकता है।
स्टैनफोर्ड में 2007 में विकसित नैनोबैटरी की एक संरचना पहले 40,000 चक्रों तक पहुंच चुकी थी। यूसीआई के 2,00,000 चक्र उस आंकड़े से पांच गुना थे, हालांकि दोनों उपकरणों की संरचनाएं अलग थीं। इसलिए नतीजों की तुलना करते समय उनके डिजाइन और परीक्षण की परिस्थितियां भी मायने रखती हैं।
लैपटॉप से की गई तुलना भी चौंकाने वाली है। एक सामान्य लैपटॉप बैटरी के लिए आम तौर पर बताए जाने वाले 300 से 500 चक्रों के मुकाबले 2,00,000 चक्र 400 से लगभग 667 गुना अधिक हैं। ये आंकड़े बताते हैं कि प्रयोग को लेकर इतना उत्साह क्यों था। हालांकि, व्यावसायिक विकास के लिए पर्याप्त क्षमता, उपयुक्त सामग्री, सुरक्षा और निर्माण लागत वाली पूरी बैटरी बनाना अभी बाकी है।
400 साल का अनुमान कहां से आया
इस अनुमान में माना गया है कि एक लैपटॉप हर दो साल में 1,000 चार्ज चक्र पूरे करता है, यानी साल में 500 चक्र। 2,00,000 चक्रों को 500 से भाग देने पर 400 साल आते हैं। गणना का हर चरण सीधा है, लेकिन सालों की यह अवधि प्रयोगशाला के नतीजे से निकाला गया अनुमान है।
थाई के इलेक्ट्रोड ने तीन महीने तक लगातार परीक्षण के दौरान यह चक्र संख्या हासिल की। रोजमर्रा में इस्तेमाल होने वाली बैटरी कुछ समय आंशिक रूप से चार्ज अवस्था में भी रहती है, बदलते तापमान में काम करती है और उसे दूसरे घटकों के साथ काम करना होता है। तैयार उत्पाद को उन परिस्थितियों में भी जांचना होगा जिनका सामना उसके उपयोगकर्ता करेंगे।
व्यावहारिक लक्ष्य बैटरी बदलने के बीच का समय बढ़ाना है। लैपटॉप के मालिक के लिए इसका मतलब हो सकता है कि कंप्यूटर की उपयोगी उम्र के अधिक समय तक वही बैटरी चलती रहे। वाहन निर्माता के लिए इसका अर्थ ऐसी ऊर्जा-संचय प्रणाली हो सकता है जो बदलने की जरूरत पड़ने से पहले अधिक चार्जिंग और ड्राइविंग सह सके।
शोधकर्ताओं को अब भी क्या समझना था
यूसीआई की मई 2016 की अनुवर्ती रिपोर्ट में मैंगनीज डाइऑक्साइड की परत को समझने के लिए किए जा रहे आगे के काम का वर्णन था। शोधकर्ता देख पा रहे थे कि जेल ने सामग्री को टुकड़ों में टूटने से रोका, लेकिन वे अब भी यह जांच रहे थे कि सामग्री में खुद क्या बदलाव आया।
अध्ययन के वरिष्ठ लेखक और रसायन विज्ञान विभाग के अध्यक्ष के तौर पर पेनर ने अगले वैज्ञानिक कार्य के बारे में बताया।
"म्या अब यह बेहतर समझने के लिए कई अध्ययन कर रही हैं कि मैंगनीज डाइऑक्साइड सामग्री के साथ क्या हो रहा है। हमें पता है कि जेल इसे टुकड़ों में टूटने से रोकता है, लेकिन यह नहीं पता कि बची हुई सामग्री उस सामग्री से अलग है या नहीं जो जेल के बिना होती," पेनर कहते हैं।
इस प्रक्रिया को समझना नतीजे को दोहराने और दूसरी सामग्रियों में अपनाने के लिए जरूरी है। अगर शोधकर्ता यह पहचान सकें कि जेल और परत के कौन-से गुण इलेक्ट्रोड को साबुत रखते हैं, तो वे बार-बार चार्ज होने का सामना करने वाली संरचनाएं अधिक सोच-समझकर बना सकते हैं।
यह काम यूनिवर्सिटी ऑफ मैरीलैंड स्थित Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center के साथ समन्वय में किया गया। इसके लिए वित्तपोषण अमेरिकी ऊर्जा विभाग के Basic Energy Sciences विभाग से मिला।
सोने के नैनोवायर से व्यावहारिक बैटरी तक
बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सोना महंगा पड़ता है। शोधकर्ताओं ने अधिक किफायती डिजाइन की दिशा में संभावित विकल्प के तौर पर निकेल सहित सस्ती सामग्रियों पर काम किया है। धातु बदलने के बाद यह भी जांचना जरूरी है कि नई इलेक्ट्रोड संरचना मूल संरचना जितनी टिकाऊ रहती है या नहीं।
एक पूरी व्यावसायिक बैटरी में लंबी चक्र आयु के साथ पर्याप्त ऊर्जा भंडारण, उपयोगी शक्ति, भरोसेमंद सुरक्षा और किफायती उत्पादन प्रक्रिया का मेल होना चाहिए। यूसीआई के नतीजे ने एक प्रायोगिक इलेक्ट्रोड की खास कमजोरी पर काम किया: बार-बार चक्रित होने से होने वाली भौतिक क्षति। इस सफलता को उत्पाद में बदलने के लिए बाकी जरूरतें भी पूरी करनी होंगी।
यूसीआई ने कंप्यूटर, स्मार्टफोन, घरेलू उपकरणों, कारों और अंतरिक्ष यानों को संभावित उपयोगों में गिनाया। इन सभी की बैटरी से अलग-अलग मांगें होंगी। फोन को छोटा ऊर्जा स्रोत चाहिए; वाहन को अधिक शक्ति देने में सक्षम कहीं बड़ी प्रणाली चाहिए; और अंतरिक्ष यानों के लिए कठिन परिस्थितियों में भरोसेमंद काम करना जरूरी है।
बाद में थाई अमेरिकी बैटरी प्रौद्योगिकी कंपनी Enevate में प्रमुख वैज्ञानिक बनीं और इलेक्ट्रिक परिवहन के लिए उन्नत बैटरियों पर काम करने लगीं। उन्होंने दूसरे आविष्कारों के लिए भी पेटेंट आवेदन किए हैं, जिनमें कोशिकाओं के बीच तापीय प्रसार को धीमा करने वाली तकनीक शामिल है। तापीय प्रसार तब होता है जब खराब हो रही एक बैटरी सेल की गर्मी आसपास की कोशिकाओं तक फैलती है।
इस काम के विवरणों में सोने के नैनोवायर तकनीक के व्यावसायिक लॉन्च की कोई तारीख घोषित नहीं की गई है। थाई का बाद का करियर दिखाता है कि वह बैटरी विकास में लगातार जुड़ी रहीं, जिसमें मूल प्रयोग से आगे टिकाऊपन और सुरक्षा की चुनौतियां भी शामिल थीं।
खोज के पीछे के प्रमुख पड़ाव
यह कहानी इससे पहले के एक नैनोबैटरी नतीजे, महीनों तक चले प्रयोगशाला परीक्षण और 2016 में यूसीआई की दो घोषणाओं तक फैली है। इन पड़ावों को साथ रखने से खोज की उम्र और दायरा समझना आसान होता है।
- 2007: स्टैनफोर्ड के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित एक अलग नैनोबैटरी संरचना ने कथित तौर पर 40,000 चक्र पूरे किए।
- यूसीआई के प्रयोग के दौरान: थाई का जेल-लेपित इलेक्ट्रोड तीन महीने में 2,00,000 तक पहुंचने से पहले 10,000 और फिर 30,000 चक्रों के पड़ाव पार कर गया।
- 20 अप्रैल, 2016: यूसीआई ने नतीजे की घोषणा की और निष्कर्ष ACS Energy Letters में प्रकाशित हुए।
- 16 मई, 2016: यूसीआई ने एक अनुवर्ती रिपोर्ट प्रकाशित की, जिसमें मैंगनीज डाइऑक्साइड पर जेल के असर को लेकर जारी शोध का वर्णन था।
- डॉक्टरेट के बाद: थाई उद्योग जगत में बैटरी शोध से जुड़ीं और Enevate में प्रमुख वैज्ञानिक बनीं।
थाई ने नतीजे को इलेक्ट्रोड की बेहतर भौतिक स्थिरता और टिकाऊ बैटरियां बनाने की संभावना के संदर्भ में बताया। अध्ययन का नेतृत्व करने वाली डॉक्टरेट शोधकर्ता के रूप में उन्होंने कहा:
लेपित इलेक्ट्रोड अपना आकार कहीं बेहतर बनाए रखता है, जिससे यह अधिक भरोसेमंद विकल्प बनता है," थाई ने कहा। "यह शोध साबित करता है कि नैनोवायर-आधारित बैटरी इलेक्ट्रोड लंबे समय तक चल सकता है और हम इस तरह की बैटरियों को वास्तविकता बना सकते हैं।
मुख्य बातें
- म्या ले थाई के यूसीआई इलेक्ट्रोड ने तीन महीने में 2,00,000 चक्र पूरे किए। क्षमता या शक्ति में कोई कमी नहीं मिली और न ही नैनोवायर टूटे हुए मिले।
- इस डिजाइन में सोने के नैनोवायर, मैंगनीज डाइऑक्साइड और जेल इलेक्ट्रोलाइट का मेल था। शोधकर्ताओं का मानना था कि जेल दरारें पड़ने से रोकने में मदद करता है।
- नतीजे 20 अप्रैल, 2016 को ACS Energy Letters में प्रकाशित हुए।
- 400 साल का अनुमान सालाना 500 चक्र मानकर लगाया गया है; प्रयोगशाला परीक्षण तीन महीने चला था।
- सोने की लागत और पूरी बैटरी की जरूरतें व्यावसायिक विकास की प्रमुख चुनौतियां हैं।
- थाई बाद में Enevate में प्रमुख वैज्ञानिक बनीं और इलेक्ट्रिक परिवहन के लिए बैटरियों पर काम करने लगीं।
