امیجنگ سلکان انوڈ انحطاط کے لیے ایک نئے طریقہ سے بہتر ریچارج ایبل بیٹریاں حاصل کرنے کی امید ہے۔

محققین تجویز کرتے ہیں کہ سلکان کی ساخت اور کیمیائی ارتقاء کی خصوصیت کا ایک نیا طریقہ، نیز بیٹری کے استحکام کو کنٹرول کرنے والی ایک پتلی پرت، اعلیٰ صلاحیت والی بیٹریوں میں سلیکون کے استعمال کو روکنے کے مسئلے کو حل کرنے میں مدد کر سکتی ہے۔

تحقیق کا فوکس انوڈ، منفی الیکٹروڈ، اور الیکٹرولائٹ کے درمیان انٹرفیس پر ہے، جو چارجز کو انوڈ اور دوسرے الیکٹروڈ (کیتھوڈ) کے درمیان منتقل ہونے دیتا ہے۔ ٹھوس الیکٹرولائٹ انٹرفیس (SEI) تہہ عام طور پر ٹھوس الیکٹروڈ اور مائع الیکٹرولائٹ کے درمیان الیکٹروڈ کی سطح پر بنتی ہے، جو بیٹریوں میں الیکٹرو کیمیکل رد عمل اور بیٹریوں کے استحکام کو کنٹرول کرنے کے لیے اہم ہے۔ سلیکون کو بطور اینوڈ استعمال کرنے سے بہتر ریچارج ایبل بیٹریاں حاصل کی جا سکتی ہیں۔

پچھلے 10 سالوں میں، سلکان نے ریچارج ایبل بیٹریوں کے لیے ایک اعلیٰ صلاحیت والے منفی الیکٹروڈ کے طور پر بہت زیادہ توجہ مبذول کی ہے۔ انجینئرنگ سائنس اور مکینکس اور بائیو ٹیکنالوجی کے پروفیسر ژانگ سلن نے کہا کہ فی الحال کمرشل بیٹریاں گریفائٹ کو منفی الیکٹروڈ مواد کے طور پر استعمال کرتی ہیں، لیکن سلکان کی صلاحیت گریفائٹ سے تقریباً 10 گنا زیادہ ہے۔ لہذا، دسیوں لاکھوں، سینکڑوں ملین، یا یہاں تک کہ سیکڑوں ملین ڈالر سلیکون بیٹری کی تحقیق کے لیے وقف ہیں۔

ایک ایسے معاشرے کے لیے جو اپنے بنیادی ڈھانچے کو الیکٹرک گاڑیوں اور طاقتور پورٹیبل الیکٹرانک آلات کے ذریعے برقی بنانے کی امید رکھتا ہے، یہ اچھی خبر ہے، لیکن اس میں چیلنجز بھی ہیں۔ بیٹریوں کی چارجنگ اور ڈسچارجنگ کے عمل کے دوران، سلیکون کا حجم بڑھے گا اور سکڑ جائے گا، جس کے نتیجے میں سلیکون مواد میں شگاف پڑ جائے گا، اور SEI بار بار ٹوٹے گا اور دوبارہ تخلیق کرے گا۔ اس کے نتیجے میں برقی رابطہ ختم ہو جائے گا اور صلاحیت میں کمی واقع ہو گی، جو کہ بیٹری میں ذخیرہ شدہ چارج کی مقدار ہے۔

درست طریقے سے سمجھنا کہ یہ عمل ساختی اور کیمیائی طور پر کیسے سامنے آتا ہے مسائل کو حل کرنے کے لیے بہت ضروری ہے۔

چونکہ اس پرت کا استحکام بیٹری کے استحکام کو کنٹرول کرتا ہے، آپ نہیں چاہتے کہ یہ بے قابو ہو جائے کیونکہ اس تہہ کی تشکیل الیکٹرولائٹ مواد اور فعال لیتھیم کو استعمال کرے گی۔ ژانگ نے کہا کہ اس سے الیکٹرولائٹ خشک ہو سکتی ہے اور فعال مواد ضائع ہو سکتا ہے، جس سے بیٹری کی کارکردگی پر منفی اثر پڑتا ہے۔

ایک بڑا چیلنج جسے ژانگ اور ان کی ٹیم نے نیچر نینو ٹیکنالوجی کے جریدے میں پیش کیا ہے وہ ہے اس عمل کا مشاہدہ کرنے، خصوصیت کرنے اور سمجھنے کی صلاحیت۔

ژانگ نے کہا، SEI پرت بیٹریوں کے لیے بہت اہم ہے، لیکن یہ بہت پتلی ہے اور اسے کسی بھی نظری خوردبین کے نیچے نہیں دیکھا جا سکتا، اور یہ بیٹری سائیکلنگ کے دوران متحرک طور پر تیار ہوتی ہے۔ یہ انتہائی نانوسکل، بہت پتلی مواد پر ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپی کے ذریعے دیکھا جا سکتا ہے۔ لیکن SEI کے لیے، یہ تہہ بہت نرم ہے اور الیکٹران کی شعاعوں سے آسانی سے نقصان پہنچاتی ہے، کیونکہ آپ کو مادی ساخت کی ہائی ریزولیوشن امیجز حاصل کرنے کے لیے الیکٹران کی ایک بڑی مقدار بھیجنی ہوگی۔

اس مسئلے پر قابو پانے کے لیے، محققین نے کم درجہ حرارت کی اسکیننگ ٹرانسمیشن الیکٹران مائیکروسکوپی (cryo STEM) کا استعمال کیا۔ انہوں نے کم درجہ حرارت STEM مائکروسکوپی امیجنگ کی تیاری اور استعمال کے دوران گردش کرنے والے الیکٹروڈ مواد کو کم درجہ حرارت پر رکھا تاکہ نمونے کو الیکٹران بیم کو پہنچنے والے نقصان کو کم سے کم کیا جا سکے۔ اس کے علاوہ، انہوں نے 3D امیجنگ اور اعلی درجے کی الگورتھم کے لیے حساس عنصر ٹوموگرافی کو مربوط کیا جس کا مقصد الیکٹران کی کم مقدار میں تصاویر حاصل کرنا تھا۔ یہ ٹیکنالوجی SEI سلکان کے تعامل کا 3D منظر حاصل کرتی ہے، جو مختلف بیٹری سائیکلوں کے بعد حاصل کی جاتی ہے۔

ہمارے طریقہ کار کی انفرادیت کم درجہ حرارت کی STEM امیجنگ اور ملٹی فزیکل پروسیس ماڈلنگ میں ہے۔ ژانگ نے کہا کہ ہم بیٹری سائیکلنگ کے بعد سلیکون اور SEI کے ارتقاء کو دیکھ سکتے ہیں۔ دریں اثنا، ہم سائیکل کے دوران پورے مائیکرو اسٹرکچر کے ارتقاء کے عمل کو دوبارہ ترتیب دینے کے لیے کمپیوٹیشنل سمیلیشنز کا استعمال کر سکتے ہیں۔ یہ اس مطالعہ کا نیاپن ہے۔

اس ٹیم کے کام نے لوگوں کو ان میکانزم کو بہتر طور پر سمجھنے کے قابل بنایا ہے جو سلیکون اینوڈس میں SEI تہوں کی نشوونما اور عدم استحکام کا باعث بنتے ہیں۔

ژانگ نے کہا، لہٰذا، SEI تہوں کے نمو کے طریقہ کار کو سمجھنے کے ساتھ، یہ ہمیں سلکان اینوڈس یا بیٹری کے ڈیزائن کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے بارے میں بہت سی بصیرت فراہم کرے گا۔ پھر ہم لتیم بیٹریوں کی اگلی نسل کے لیے مزید مضبوط سلکان اینوڈس تیار کر سکتے ہیں۔

انہوں نے وضاحت کی کہ لیتھیم بیٹریوں کی اگلی نسل صنعت اور عام صارفین کے لیے متعدد فوائد لائے گی۔

ژانگ نے کہا کہ سلیکان بہت زیادہ ہے، اور اگر ہم سلیکون کو ایک اینوڈ کے طور پر استعمال کر سکتے ہیں جس میں طویل سائیکل لائف ہے، تو ہم ریچارج ایبل بیٹریوں کی صلاحیت میں بہت اضافہ کریں گے۔ مزید برآں، پرچر سلیکون وسائل کی وجہ سے، اس سے بیٹریوں کی قیمت کم ہو جائے گی۔

سلکان منفی الیکٹروڈ بیٹریوں کی چارجنگ اور ڈسچارجنگ کے دوران SEI پرت کے ارتقاء کی ایک اہم سمجھ کے ساتھ، ژانگ نے کہا کہ اگلا مرحلہ یہ ہوگا کہ اس علم کو استعمال کرتے ہوئے سلیکون منفی الیکٹروڈ بیٹری کو ڈیزائن کرنے میں مدد ملے گی جو سائیکل چلانے کی وجہ سے صلاحیت سے محروم نہیں ہوگی۔

"ممکنہ میکانزم کی تفہیم کے ساتھ، اگلا مرحلہ کچھ سائنسی مفروضے پیدا کرنا ہے،" ژانگ نے کہا۔ اس کے بعد، ہم اس مفروضے کی جانچ سلکان انوڈ کا استعمال کرتے ہوئے کریں گے تاکہ ہم سلیکون کے حجم کی تبدیلیوں سے منسلک منفی اثرات کو کم کر سکیں۔ موجودہ بے قابو عوامل کو کنٹرول کرکے، ہم بہتر کارکردگی کے ساتھ سلیکون الیکٹروڈ ڈیزائن کرسکتے ہیں۔

پینسلوینیا اسٹیٹ یونیورسٹی کے محققین نے ژانگ کے ساتھ اس تحقیق میں حصہ لیا، جن میں انجینئرنگ سائنس اور مکینکس کے گریجویٹ طلباء تیانو چن اور ڈنگ چوان زو شامل ہیں۔ دیگر محققین میں پیسیفک نارتھ ویسٹ نیشنل لیبارٹری سے یانگ ہی، سو یاوبین، وانگ چونگمین، جیا ہیپنگ، رین یی، میاؤ سونگ، لی شیاؤلن، اور ژانگ جیگوانگ شامل ہیں۔ ThermoFisher Scientific، LinJiang، ArdaGenc، Cedric Bouchet Marquis، Lee Pullan، اور TedTessner سے؛ لاس الاموس نیشنل لیبارٹری سے، جنکیونگ یو۔ وزارت توانائی اور نیشنل سائنس فاؤنڈیشن نے اس تحقیق کی حمایت کی۔