क्या आपको याद है जब इंटरनेट की स्पीड 56k थी और एक गाना डाउनलोड करने में आधा घंटा लगता था? फिर ब्रॉडबैंड आया और सब कुछ बदल गया। बैटरी की दुनिया में भी ऐसी ही युगांतकारी छलांग लगने वाली है, जिसका श्रेय एक क्रिस्टलीय पदार्थ को जाता है जिसे नाइओबियम टंगस्टन ऑक्साइड (एनबीडब्लूओ), जिसे चीनी वैज्ञानिकों ने लिथियम आयनों को पहले कभी नहीं देखी गई गति से प्रवाहित करने के लिए “प्रेरित” किया है।
खोज, पर प्रकाशित संचार प्रकृति, कुछ असामान्य बात सामने आई: जब बैटरियों को तेजी से चार्ज किया जाता है, तो पदार्थ की परमाणु संरचना अधिक अव्यवस्थित हो जाती है, और यह (आश्चर्यजनक रूप से) यह आयनों की गति को धीमा करने के बजाय उसे तीव्र कर देता है। 45 सेकंड में पूरा चार्ज होना अब विज्ञान कथा नहीं रह गया है।
पारंपरिक बैटरियों की समय के विरुद्ध दौड़
बैटरियों की चार्जिंग गति मूलतः लिथियम आयनों की पदार्थों के माध्यम से प्रवाहित होने की क्षमता पर निर्भर करती है। पारंपरिक बैटरियों मेंइन सूक्ष्म यात्रियों को प्रतिरोधी क्रिस्टलीय संरचनाओं की भूलभुलैया से गुजरना पड़ता है, जिससे एक खतरनाक अड़चन पैदा होती है। व्यस्त समय के दौरान एक राजमार्ग की कल्पना कीजिए, जहां हजारों यात्री फंसे हुए हैं और धीमी गति से आगे बढ़ रहे हैं।
यह मंदी हमें अत्याधिक लम्बे समय तक पुनःचार्ज करने के लिए बाध्य करती है, तथा ऊर्जा भंडारण की हमारी दर को अत्यधिक सीमित कर देती है। जब तक आयन इस परमाणु यातायात में फंसे रहेंगे, हमारा बैटरी इसे पूरी तरह से रिचार्ज होने में घंटों लगेंगे। यह एक ऐसी स्थिति है जिसका अनुभव हम सभी ने किया है, जब हम अपने स्मार्टफोन के चार्ज प्रतिशत को अत्यंत धीमी गति से बढ़ते हुए देखते हैं।
इसके लिए नियोबायोजहां पहले केवल घुमावदार रास्ते थे, वहां आणविक राजमार्ग बनाने की इसकी क्षमता के कारण इसका महत्व बढ़ रहा है।
नियोबियम: परमाणु अव्यवस्था का विरोधाभास
उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, याक़िंग गुओ e यिफेई युआन के 'वानजाउ विश्वविद्यालय उन्होंने कुछ आश्चर्यजनक बात देखी: ऑक्साइड की क्रिस्टलीय संरचना नियोबायो और टंगस्टन (NbWO) अलग-अलग चार्जिंग दरों पर अलग-अलग प्रतिक्रिया करता है। और यहाँ, जैसा कि मैंने अनुमान लगाया था, सबसे दिलचस्प हिस्सा आता है: धीमी चार्जिंग के दौरान, आयन खुद को व्यवस्थित ढंग से व्यवस्थित करते हैं, जिससे संरचनात्मक विकृतियाँ उत्पन्न होती हैं; लेकिन उच्च पुनः लोड गति पर, वे अधिक अनियमित रूप से वितरित होते हैं।
हमने उन्नत इन-सीटू इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी को उच्च परमाणु विभेदन इमेजिंग क्षमताओं के साथ संयोजित किया है, जिससे अत्यंत छोटे पैमाने पर पदार्थ विज्ञान को गहराई से देखने की क्षमता प्राप्त हुई है, जो लंबे समय से अस्पष्ट रही है।
यह विकार जाली विकृतियों को कम करता है और लिथियम आयन गतिशीलता में सुधार करता है। यह विरोधाभासी है, है न? ऐसा लगता है जैसे स्वतंत्र रूप से चलने वाली भीड़, सख्ती से लेन का पालन करने वाली भीड़ से अधिक तेज चलती है।
परमाणु इंजीनियरिंग और मशीन लर्निंग का मिलन
सामग्री को अनुकूलित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसकी मुख्य सीमा की पहचान की: लिथियम आयन क्रिस्टल संरचना के विशिष्ट "चेहरे" के माध्यम से प्रवेश करना पसंद करते हैं। का उपयोग यंत्र अधिगम लगभग 84.000 संभावित सामग्रियों का विश्लेषण करने के लिए, उन्होंने चयन किया अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड लिथियम आयनों को इन पसंदीदा प्रवेश बिंदुओं तक मार्गदर्शन करने के लिए एक सतह कोटिंग के रूप में।
परिणाम? संशोधित सामग्री, जिसे नामित किया गया है आरजीओ/एनबी₁₆डब्ल्यू₅ओ₅₅80 डिग्री सेल्सियस तक चार्ज होने पर, यह मात्र 116 सेकंड में 45 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम तक पहुंच जाता है। आपको एक विचार देने के लिए, वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरियां आमतौर पर 1C और 2C के बीच की दर से चार्ज होती हैं, जिन्हें पूरी तरह चार्ज होने में 30-60 मिनट लगते हैं।
प्रोटोटाइप परीक्षणों में, इस सामग्री से निर्मित बैटरियां 77 फास्ट चार्जिंग चक्रों के बाद भी उन्होंने अपनी प्रारंभिक क्षमता का 500% बरकरार रखा। यह सिर्फ गति का सवाल नहीं है: इस पदार्थ ने उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदर्शित किया है, प्रति किलोग्राम 406 वाट-घंटे तक की क्षमता प्रदान करता है।
बेशक, व्यावसायीकरण में अभी भी महत्वपूर्ण तकनीकी बाधाएं हैं। उदाहरण के लिए, जब इलेक्ट्रोड की मोटाई वाणिज्यिक बैटरियों की विशिष्टताओं से मेल खाती है तो लाभ कम हो जाता है। लेकिन रास्ता तय है: परमाणु-स्तरीय इंजीनियरिंग चार्जिंग गति की मौजूदा सीमाओं को पार कर सकती है। यह दृष्टिकोण न केवल इलेक्ट्रिक वाहनों के विकास पर लागू होता है, बल्कि किसी भी ऐसी तकनीक पर लागू होता है जिसमें ऊर्जा के तीव्र भंडारण और उत्सर्जन की आवश्यकता होती है।
और सोचिए कि यह सब नियोबियम क्रिस्टल में परमाणुओं के व्यवहार के अवलोकन से शुरू हुआ। ऐसा लगता है कि "अराजकता" से ही सर्वोत्तम चीजें निकलती हैं!
