स्कैंडियम डोपिंग से सोडियम-आयन बैटरी का प्रदर्शन बेहतर

सोडियम बैटरियों के लिए एक व्यावहारिक छलांग

टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस के शोधकर्ताओं ने परतदार सोडियम मैंगनीज ऑक्साइड कैथोड में थोड़ी मात्रा में स्कैंडियम मिलाकर सोडियम-आयन बैटरियों में उल्लेखनीय प्रगति की जानकारी दी है। इस बदलाव का लक्ष्य प्रदर्शन में गिरावट के एक लगातार बने रहने वाले कारण को दूर करना है और प्रयोगशाला परीक्षणों में इससे बैटरी की उम्र बढ़ी। कॉइन-टाइप फुल सेल में, लगभग 8 प्रतिशत स्कैंडियम वाले इलेक्ट्रोड ने 300 चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के बाद अपनी करीब 60 प्रतिशत क्षमता बनाए रखी। इस सुधार से उस बड़ी कमजोरी को दूर करने में मदद मिलती है, जिसने कई उपयोगों में सोडियम प्रणालियों को लिथियम सेल से मुकाबला करने से रोका है।

सोडियम का आकर्षण भूविज्ञान और सुरक्षा के बुनियादी पहलुओं पर टिका है। सोडियम प्रचुर मात्रा में और व्यापक रूप से उपलब्ध है, जिससे लागत का दबाव और आपूर्ति का जोखिम कम होता है। इससे कोबाल्ट की जरूरत भी नहीं पड़ती, जो कीमत और नैतिक चिंताओं से जुड़ी धातु है। लेकिन इसकी कीमत टिकाऊपन के रूप में चुकानी पड़ती है। सोडियम आयन का बड़ा आकार होस्ट पदार्थों पर दबाव डाल सकता है, खासकर उन मैंगनीज-आधारित परतदार ऑक्साइड पर जिन्हें उच्च क्षमता के लिए पसंद किया जाता है। समय के साथ यह दबाव बढ़ता जाता है और प्रदर्शन घटाता है।

नए अध्ययन में पाया गया कि स्कैंडियम मिलाने से चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान कैथोड का एक खास क्रिस्टलीय रूप बदलने का तरीका प्रभावित होता है। डोप किए गए पदार्थ की संरचना ज्यादा बरकरार रहती है, इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क-स्थल पर कम पार्श्व प्रतिक्रियाएं होती हैं और पदार्थ संभालने के दौरान नमी को बेहतर सहन करता है। यह प्रभाव स्कैंडियम और तथाकथित P प्राइम 2 पॉलीटाइप के मेल के लिए खास दिखता है। इस रूप में परमाणु परतें एक व्यवस्थित ढंग से विकृत होती हैं। ऐसे नतीजे डिजाइन के उन नियमों की ओर इशारा करते हैं जो दूसरे परतदार ऑक्साइड को भी स्थिर कर सकते हैं।

सोडियम मैंगनीज ऑक्साइड को क्या रोक रहा था

परतदार सोडियम मैंगनीज ऑक्साइड लंबे समय से सोडियम-आयन बैटरियों के लिए आकर्षक माने जाते रहे हैं। खास तौर पर Na2/3MnO2 का P प्राइम 2 रूप Mn3+ से Mn4+ तक की रेडॉक्स जोड़ी के जरिए उच्च प्रतिवर्ती क्षमता दे सकता है। लेकिन इसकी चक्र-आयु अक्सर तेजी से घटती है। कुछ दर्जन या कुछ सौ चक्रों के बाद क्रिस्टल ढहने और कणों की सतह पर अवांछित प्रतिक्रियाएं बढ़ने से क्षमता कम हो सकती है।

जह्न-टेलर समस्या को आसान शब्दों में

इसका मुख्य कारण जह्न-टेलर प्रभाव नाम की एक घटना है। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान जब मैंगनीज +3 अवस्था में आता है, तो इलेक्ट्रॉन ऐसे ऑर्बिटल में जमते हैं जो कुछ बंधों को खींचते और दूसरों को संकुचित करते हैं। इसके अनुसार मैंगनीज के आसपास के परमाणु खिसकते हैं और क्रिस्टल जालक विकृत हो जाता है। अगर ये विकृतियां असमान ढंग से होती रहें और लगातार बदलती रहें, तो पदार्थ में आंतरिक तनाव जमा होता जाता है। सूक्ष्म दरारें बनती हैं, परमाणुओं की व्यवस्थित संरचना बिगड़ती है और सोडियम का अंदर-बाहर जाना कठिन हो जाता है। बैटरी की क्षमता घटती है और उसकी दक्षता कम होती है।

पॉलीटाइप क्यों मायने रखता है

एक ही रासायनिक सूत्र वाले परतदार ऑक्साइड अपनी परमाणु परतों को अलग-अलग क्रम में जमा सकते हैं। इन रूपों को पॉलीटाइप कहा जाता है। Na2/3MnO2 के P2 और P प्राइम 2 रूप अलग तरह से व्यवहार करते हैं। P2 में विकृतियां स्थानीय और अप्रत्याशित होती हैं। P प्राइम 2 में विकृतियां कई परमाणुओं में एक सहकारी पैटर्न में व्यवस्थित होती हैं। अगर होस्ट संरचना बरकरार रहे, तो यह दीर्घ-दूरी का क्रम फायदेमंद हो सकता है। टोक्यो की टीम ने यह जांचने का लक्ष्य रखा कि क्या कोई उपयुक्त डोपेंट P प्राइम 2 को स्थिरता की ओर ले जा सकता है और साथ ही P2 में दिखने वाली समस्याओं से बच सकता है।

टोक्यो की टीम ने कैथोड में क्या बदलाव किया

शोधकर्ताओं ने सोडियम मैंगनीज ऑक्साइड के P2 और P प्राइम 2, दोनों रूपों में स्कैंडियम डोपिंग की तुलना की और स्कैंडियम का स्तर बदला। सबसे उल्लेखनीय नतीजा P प्राइम 2 Na2/3[Mn1−xScx]O2 में मिला, जहां x करीब 0.08 था। इस स्तर पर स्कैंडियम ने क्रिस्टल के बढ़ने के तरीके को बदला, जिससे छोटे कण और अधिक समान सूक्ष्म संरचना बनी। पदार्थ ने P प्राइम 2 की पहचान बताने वाली सहकारी विकृति को बेहतर ढंग से बनाए रखा, बजाय इसके कि वह अव्यवस्थित हो जाए।

परीक्षणों में स्कैंडियम के कई फायदे सामने आए। डोप किए गए कैथोड में इलेक्ट्रोलाइट के साथ कम प्रतिक्रियाएं हुईं, जिससे बिजली घटाने वाली प्रतिरोधी परतों का बनना सीमित होता है। नमी के प्रति इसका प्रतिरोध भी बेहतर था, जो पाउडर के प्रसंस्करण और सेल असेंबली के दौरान उपयोगी है। मैंगनीज की जगह दूसरी त्रिसंयोजी धातुएं डालने के प्रयासों से ऐसे फायदे नहीं मिले। इससे संकेत मिलता है कि स्कैंडियम के आकार और आवेश का P प्राइम 2 जालक की व्यवस्था से खास मेल है।

टीम ने यह भी बताया कि चक्रण से पहले थोड़ी देर की प्रक्रिया, यानी इलेक्ट्रोड को अनुकूलित करना, क्षमता बनाए रखने में और सुधार लाया। इन दोनों प्रभावों से बिना डोप किए गए नमूनों की तुलना में चक्र-आयु में स्पष्ट सुधार हुआ।

टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस में इस शोध का नेतृत्व करने वाले प्रोफेसर शिनिची कोमाबा ने इस फायदे और लागत के बीच के समझौते का खुलकर सार बताया।

स्कैंडियम एक महंगा तत्व है, लेकिन हमारा काम दिखाता है कि इसमें लंबी उम्र वाली सोडियम-आयन बैटरियां संभव बनाने की क्षमता है। ये निष्कर्ष सोडियम प्रणालियों से आगे, परतदार धातु ऑक्साइड के लिए नई डिजाइन रणनीतियों का भी संकेत देते हैं।

यह अध्ययन Advanced Materials में प्रकाशित हुआ और जापान के राष्ट्रीय शोध कार्यक्रमों से समर्थित था। इसका केंद्र पदार्थों का बुनियादी व्यवहार था, लेकिन इसके निष्कर्ष बैटरी उद्योग की व्यावहारिक जरूरतों से जुड़े हैं।

स्कैंडियम P प्राइम 2 संरचना को कैसे स्थिर करता है

स्कैंडियम थोड़ी मात्रा में मैंगनीज की परत में प्रवेश करता है और मैंगनीज आयनों के स्थानीय परिवेश को बदलता है। P प्राइम 2 में Mn3+ की विकृतियां बेतरतीब नहीं होतीं। वे छत्ते जैसे पैटर्न में व्यवस्थित होती हैं, जो पूरे क्रिस्टल में दोहराता है। स्कैंडियम इस सहकारी विकृति को बनाए रखने में मदद करता है। नतीजतन, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान जालक सांस ले पाता है, लेकिन उसका समग्र क्रम बरकरार रहता है। यानी पदार्थ मुड़कर टूटने के बजाय एक अनुमानित तरीके से लचकता है।

साथ ही, स्कैंडियम कणों की आकृति को भी बदलता है। छोटे और अधिक समान कण ठोस के भीतर सोडियम आयनों को तय करनी वाली दूरी घटाते हैं, जिससे उनका आवागमन आसान होता है। इलेक्ट्रोलाइट के साथ अधिक साफ संपर्क-स्थल बनता है, जिससे सक्रिय पदार्थ को नष्ट करने वाली अवांछित प्रतिक्रियाओं की आशंका कम होती है। इन प्रभावों के एक साथ मिलने से यह संभावना बढ़ती है कि कई चक्रों के बाद भी कैथोड काम करता रहेगा।

P2 से तुलना उपयोगी है। स्कैंडियम मिलाने से P2 को वही फायदा नहीं मिलता। वहां विकृतियां स्थानीय बनी रहती हैं और संरचना अब भी कम अनुकूल अवस्थाओं की ओर खिसकती है। डिजाइनरों के लिए संदेश यह है कि रसायन और क्रिस्टल की बनावट को अलग-अलग नहीं, साथ-साथ अनुकूलित करना चाहिए।

परीक्षणों से क्या पता चला

हार्ड कार्बन एनोड वाली फुल सेल के परीक्षणों में स्कैंडियम डोप किए गए P प्राइम 2 कैथोड ने 300 चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के बाद अपनी शुरुआती क्षमता का करीब 60 प्रतिशत बनाए रखा। बिना डोप किए गए नमूनों की तुलना में इलेक्ट्रोड की क्रिस्टलीयता बेहतर बरकरार रही और प्रतिबाधा धीरे बढ़ी। यह कम हानिकारक पार्श्व प्रतिक्रियाओं के अवलोकन का समर्थन करता है। सोडियम परिवार के उच्च क्षमता वाले परतदार ऑक्साइड के लिए ये उल्लेखनीय सुधार हैं।

अन्य शोध भी इसी दिशा में संकेत देते हैं। NASICON-प्रकार के कैथोड, जो परतदार ऑक्साइड से अलग होते हैं, में स्कैंडियम ने आयनिक और इलेक्ट्रॉनिक, दोनों मार्गों को बेहतर किया है। उदाहरण के लिए, स्कैंडियम डोप किए गए Na3MnTi(PO4)3 की चालकता और सोडियम आयन की गतिशीलता बढ़ी। अनुकूलित संरचना ने मध्यम दर पर 250 चक्रों के बाद करीब 93 प्रतिशत और अधिक दर पर 500 चक्रों के बाद करीब 88 प्रतिशत क्षमता बनाए रखी। कार्बन कोटिंग वाले स्कैंडियम-संशोधित Na3V2(PO4)2F3 ने भी तेज दर पर अच्छा प्रदर्शन और लंबे चक्रों तक उच्च क्षमता बनाए रखी, जिसमें अधिक करंट पर 1000 चक्रों के बाद करीब 90 प्रतिशत क्षमता शामिल है। परीक्षण प्रक्रियाएं और मापदंड अलग-अलग हैं, इसलिए सीधी तुलना पूरी तरह समान आधार पर नहीं की जा सकती। साझा निष्कर्ष यह है कि स्कैंडियम की थोड़ी मात्रा अलग-अलग पदार्थ परिवारों में संरचनाओं को स्थिर कर सकती है और ध्रुवीकरण घटा सकती है।

परतदार ऑक्साइड के इस काम का विस्तृत विश्लेषण, जिसमें स्कैंडियम और P प्राइम 2 की सहकारी विकृति के बीच खास तालमेल भी शामिल है, समकक्ष समीक्षा वाले शोध साहित्य में उपलब्ध है। पाठक PubMed पर इस प्रविष्टि के जरिए इसका सार देख सकते हैं।

स्कैंडियम की लागत, आपूर्ति और उत्पादन का विस्तार

स्कैंडियम संकेंद्रित रूप में दुर्लभ है और आम तौर पर खनन तथा शोधन की अन्य प्रक्रियाओं के उप-उत्पाद के रूप में बनता है। इसकी आपूर्ति सीमित है और कुछ ही देशों में केंद्रित है। हाल के निर्यात नियंत्रणों और व्यापक भू-राजनीतिक तनावों के कारण योजनाकार महत्वपूर्ण सामग्री के लिए किसी एक क्षेत्र पर निर्भरता को लेकर अधिक सतर्क हुए हैं। स्कैंडियम ऑक्साइड के बाजार भाव आम तौर पर प्रति किलोग्राम सैकड़ों डॉलर बताए जाते हैं, जिससे प्रयोगशाला से कारखाने तक उत्पादन ले जाने की लागत पर सवाल उठते हैं।

दो बातें लागत को संदर्भ में समझने में मदद करती हैं। पहली, डोपिंग का स्तर कम है। मैंगनीज की कुछ प्रतिशत मात्रा को स्कैंडियम से बदलने पर कैथोड में महंगे तत्व का कुल भार बहुत थोड़ा बढ़ता है, जिससे सामग्री की लागत पर असर सीमित रह सकता है। दूसरी, स्कैंडियम की जरूरत घटाने के कई तरीके हैं। शोधकर्ता डोपेंट को सतह के उन हिस्सों तक सीमित रख सकते हैं जहां वह संपर्क-स्थल को सबसे ज्यादा बेहतर बनाता है, स्कैंडियम की थोड़ी मात्रा को सुरक्षात्मक कोटिंग के साथ इस्तेमाल कर सकते हैं, या ऐसे डोपेंट युग्म खोज सकते हैं जो स्कैंडियम की संरचनात्मक भूमिका की नकल करें। ऑस्ट्रेलिया, उत्तरी अमेरिका और अन्य क्षेत्रों में नई परियोजनाएं उप-उत्पाद स्कैंडियम को अधिक मात्रा में बाजार तक पहुंचाने पर काम कर रही हैं। मांग बढ़ने पर इससे कीमत और आपूर्ति का जोखिम घट सकता है।

सोडियम-आयन को शुरुआती बढ़त कहां मिल सकती है

सोडियम-आयन तकनीक स्थिर ऊर्जा भंडारण के लिए उपयुक्त दिखती है, जहां अधिकतम ऊर्जा प्रति किलोग्राम की तुलना में लागत, सुरक्षा और लंबी उम्र अक्सर अधिक मायने रखते हैं। ग्रिड से जुड़ी बैटरियों, मीटर के पीछे लगने वाली प्रणालियों और सामुदायिक भंडारण को वाहनों जैसी सख्त वजन सीमाओं का पालन नहीं करना पड़ता। उच्च क्षमता वाला स्थिर परतदार कैथोड प्रति किलोवाट-घंटे जरूरी पदार्थ की मात्रा घटा सकता है और प्रतिस्पर्धा में सुधार कर सकता है। जहां न्यूनतम क्षमता-हानि के साथ हजारों चक्र जरूरी हैं, वहां बहुत लंबे समय तक चक्रण सहने वाले NASICON-आधारित कैथोड भी भूमिका निभा सकते हैं।

परिवहन बाजार भी बदल रहे हैं। कई निर्माताओं ने शुरुआती स्तर के वाहनों और दोपहिया वाहनों में सोडियम-आयन सेल लगाने की योजनाओं की घोषणा की है। कम तापमान पर प्रदर्शन और चार्जिंग व्यवहार सक्रिय शोध क्षेत्र हैं। कैथोड की स्थिरता, इलेक्ट्रोलाइट डिजाइन और एनोड इंजीनियरिंग में सुधार तय करेंगे कि परिवहन में सोडियम का इस्तेमाल कितना आगे बढ़ सकता है। अगर प्रदर्शन बेहतर होता रहा, तो कम संसाधनों पर निर्भर और अधिक सुरक्षित विकल्प का स्पष्ट महत्व है।

आगे किन बातों पर नजर रखें

अगली परीक्षा उत्पादन का विस्तार है। स्कैंडियम डोप किए गए पदार्थ का प्रदर्शन कॉइन-टाइप फुल सेल में दिखाया गया है। स्टैक्ड पाउच या प्रिजमैटिक फॉर्मेट तक पहुंचने के लिए बड़े बैचों में समान डोपिंग, कणों की आकृति पर कड़ा नियंत्रण और मानक इलेक्ट्रोलाइट मिश्रणों व सेपरेटर के साथ अनुकूलता जरूरी है। नमी सहने की क्षमता बेहतर होना उत्पादन में अच्छी उपज के लिए उत्साहजनक है, लेकिन उत्पादन लाइनों में कड़े नियंत्रण फिर भी जरूरी होंगे।

नए पदार्थों की खोज भी जारी है। स्कैंडियम का प्रभाव ऐसे कम लागत वाले आयन खोजने की कोशिशों को प्रेरित कर सकता है जो जालक को इसी तरह अनुकूलित करें, या मैंगनीज स्थलों पर रिक्तियां और क्रम इस तरह तैयार करें कि स्कैंडियम के बिना सहकारी विकृतियां बनी रहें। पार्श्व प्रतिक्रियाओं को सीमित करने वाली इलेक्ट्रोलाइट रणनीतियां, जैसे अधिक नमक सांद्रता या मजबूत अंतरापृष्ठ बनाने वाले योजक, कैथोड डिजाइन की पूरक हो सकती हैं। कैथोड को बेहतर हार्ड कार्बन या वैकल्पिक एनोड के साथ जोड़ने से शुरुआती दक्षता और दीर्घकालिक स्थिरता, दोनों में सुधार हो सकता है।

निष्कर्ष

• टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस के शोधकर्ताओं के अनुसार, P प्राइम 2 परतदार सोडियम मैंगनीज ऑक्साइड कैथोड में स्कैंडियम डोपिंग से कॉइन-टाइप फुल सेल में 300 चक्रों के बाद करीब 60 प्रतिशत क्षमता बनी रहती है।
• यह सुधार जह्न-टेलर विकृतियों से होने वाली चक्र-क्षय की समस्या को लक्ष्य करता है। इससे जालक का क्रम बना रहता है, पार्श्व प्रतिक्रियाएं घटती हैं और नमी सहने की क्षमता बेहतर होती है।
• यह प्रभाव P प्राइम 2 पॉलीटाइप के लिए खास है। परीक्षण में P2 या अन्य त्रिसंयोजी डोपेंट के साथ ऐसा नतीजा नहीं मिला।
• अध्ययन में सबसे अच्छा प्रदर्शन मैंगनीज स्थल पर करीब 8 प्रतिशत स्कैंडियम प्रतिस्थापन के साथ मिला।
• संबंधित शोध दिखाता है कि स्कैंडियम चालकता और आयन गतिशीलता बढ़ाकर NASICON-प्रकार के कैथोड को भी बेहतर कर सकता है। अलग-अलग परीक्षण स्थितियों में इन कैथोड ने चक्रों के दौरान क्षमता अच्छी तरह बनाए रखी।
• स्कैंडियम महंगा है और इसकी आपूर्ति कुछ क्षेत्रों में केंद्रित है, लेकिन जरूरी मात्रा कम है और उप-उत्पाद के नए स्रोत विकसित किए जा रहे हैं।
• स्थिर सोडियम-आयन कैथोड ग्रिड भंडारण और शुरुआती स्तर के परिवहन में सोडियम के इस्तेमाल को मजबूत आधार देते हैं, जहां लागत और सुरक्षा प्राथमिकताएं हैं।
• अगले कदमों में बड़ी सेल तक उत्पादन बढ़ाना, इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के मेल को बेहतर करना तथा स्कैंडियम की संरचनात्मक भूमिका से प्रेरित कम लागत वाली डोपिंग रणनीतियां तलाशना शामिल है।