👨🏿‍🤝‍👨🏽 👩🏼‍🌾 👩🏻‍✈️ भविष्य के अंतरिक्ष कार्यक्रमों के लिए लिथियम-सल्फर बैटरी ♀️ 📫 📗

आज, अंतरिक्ष कार्यक्रमों में बैटरी मुख्य रूप से बैकअप पावर स्रोतों के रूप में उपयोग की जाती है, जब डिवाइस छाया में होते हैं और सौर पैनलों से या बाह्य अंतरिक्ष में बाहर जाने के लिए स्पेससूट में ऊर्जा प्राप्त नहीं कर सकते हैं। लेकिन आज इस्तेमाल की जाने वाली बैटरियों के प्रकार (Li-ion, Ni-H ₂ ) की कई सीमाएँ हैं। सबसे पहले, वे बहुत बोझिल हैं, क्योंकि वरीयता ऊर्जा की तीव्रता को नहीं दी जाती है, लेकिन सुरक्षा के लिए, कई सुरक्षात्मक तंत्र के परिणामस्वरूप मात्रा को कम करने में योगदान नहीं होता है। और दूसरी बात, आधुनिक बैटरियों की तापमान सीमा होती है, और भविष्य के कार्यक्रमों में, स्थान के आधार पर, तापमान -150 डिग्री सेल्सियस से +450 डिग्री सेल्सियस तक भिन्न हो सकता है।

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इसके अलावा, बढ़ी हुई पृष्ठभूमि विकिरण को मत भूलना। सामान्य तौर पर, अंतरिक्ष उद्योग के लिए भविष्य की बैटरी न केवल कॉम्पैक्ट, टिकाऊ, सुरक्षित और ऊर्जा-गहन होनी चाहिए, बल्कि उच्च या निम्न तापमान पर, साथ ही साथ विकिरण की बढ़ी हुई पृष्ठभूमि की स्थितियों में भी काम करना चाहिए। स्वाभाविक रूप से, आज ऐसी जादुई तकनीक मौजूद नहीं है। फिर भी, ऐसे आशाजनक वैज्ञानिक विकास हैं जो भविष्य के कार्यक्रमों के लिए आवश्यकताओं के करीब जाने की कोशिश कर रहे हैं। विशेष रूप से, मैं अनुसंधान में एक दिशा के बारे में बात करना चाहूंगा, जो गेम चेंजिंग डेवलपमेंट (जीसीडी) कार्यक्रम के ढांचे में नासा द्वारा समर्थित है ।

चूंकि उपरोक्त सभी विशिष्टताओं को एक बैटरी में संयोजित करना एक कठिन काम है, नासा का मुख्य लक्ष्य आज अधिक कॉम्पैक्ट, ऊर्जा-गहन और सुरक्षित बैटरी प्राप्त करना है। इस लक्ष्य को कैसे प्राप्त करें?

आरंभ करने के लिए, प्रति यूनिट आयतन में महत्वपूर्ण रूप से ऊर्जा की खपत बढ़ाने के लिए, इलेक्ट्रोड के लिए मूलभूत रूप से नई सामग्रियों वाली बैटरियों की आवश्यकता होती है, क्योंकि लिथियम-आयन बैटरी (ली-आयन) की क्षमता कैथोड के लिए सामग्री की क्षमता (ऑक्साइड के लिए लगभग 250 एएएच / जी) और एनोड द्वारा सीमित होती है। लगभग 370 एमएएच / जी ग्रेफाइट के लिए), साथ ही साथ वोल्टेज सीमाएं जिस पर इलेक्ट्रोलाइट स्थिर है। और प्रौद्योगिकियों में से एक है जो इलेक्ट्रोड पर अंतराल के बजाय मौलिक नई प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने की क्षमता बढ़ाने की अनुमति देता है लिथियम-सल्फर बैटरी (ली-एस), एनोड जिसमें धातु लिथियम होता है, और सल्फर का उपयोग कैथोड के लिए सक्रिय सामग्री के रूप में किया जाता है। लिथियम-सल्फर बैटरी का संचालन कुछ हद तक लिथियम-आयन बैटरी के संचालन के समान होता है: लिथियम आयन वहां और वहां दोनों के प्रभारी हस्तांतरण में शामिल होते हैं। लेकिन ली-आयन के विपरीत, ली-एस में आयन कैथोड की स्तरित संरचना में एकीकृत नहीं होते हैं,और उसके साथ निम्नलिखित प्रतिक्रिया दर्ज करें:

2 ली + एस -> ली ₂ एस

हालांकि व्यवहार में, कैथोड पर प्रतिक्रिया इस तरह दिखती है:

S ₈ -> Li ₂ S ₈ -> Li ₂ S ₆ -> Li ₂ S ₄ -> Li ₂ S ₂ -> Li ₂ S

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ऐसी बैटरी का मुख्य लाभ इसकी उच्च क्षमता है, जो लिथियम-आयन बैटरी की क्षमता से 2-3 गुना अधिक है। लेकिन व्यवहार में, सब कुछ इतना रसीला नहीं है। रिचार्ज करते समय, लिथियम आयन धातु के श्रृंखला (डेंड्राइट्स) के रूप में भयानक रूप से एनोड पर बस जाते हैं, जिससे अंततः शॉर्ट सर्किट होता है। इसके अलावा, कैथोड में लिथियम और सल्फर के बीच प्रतिक्रियाएं सामग्री की मात्रा (80% तक) में बड़े बदलाव लाती हैं, जिससे इलेक्ट्रोड तेजी से नष्ट हो जाता है, और सल्फर यौगिक खुद खराब कंडक्टर होते हैं, इसलिए कैथोड में बहुत सारी कार्बन सामग्री को जोड़ना पड़ता है। और आखिरी, और सबसे महत्वपूर्ण बात, मध्यवर्ती प्रतिक्रिया उत्पाद (पॉलीसल्फाइड्स) धीरे-धीरे कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट और "यात्रा" में एनोड और कैथोड के बीच घुल जाते हैं, जिससे बहुत मजबूत स्व-निर्वहन होता है।

लेकिन उपरोक्त सभी समस्याएं मैरीलैंड विश्वविद्यालय (यूएमडी) के वैज्ञानिकों के एक समूह को हल करने की कोशिश कर रही हैं, जिसने नासा से अनुदान जीता। तो वैज्ञानिक इन सभी समस्याओं के समाधान के लिए कैसे आए? सबसे पहले, उन्होंने लिथियम-सल्फर बैटरी की मुख्य समस्याओं में से एक पर "हमला" करने का फैसला किया, अर्थात्, स्व-निर्वहन। और एक तरल कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट के बजाय, जो कि ऊपर वर्णित है, धीरे-धीरे सक्रिय सामग्रियों को भंग कर देता है, उन्होंने एक ठोस सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया, या ली ₆ पीएस ₅ सीएल, जो अपने क्रिस्टल जाली के माध्यम से लिथियम आयनों को काफी अच्छी तरह से संचालित करता है।

लेकिन अगर ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स एक समस्या को हल करते हैं, तो वे अतिरिक्त कठिनाइयां पैदा करते हैं। उदाहरण के लिए, प्रतिक्रिया के दौरान कैथोड की मात्रा में बड़े बदलाव से ठोस इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच संपर्क का तेजी से नुकसान हो सकता है, और बैटरी की क्षमता में तेज कमी हो सकती है। इसलिए, वैज्ञानिकों ने एक सुरुचिपूर्ण समाधान का प्रस्ताव किया: उन्होंने एक नैनोकम्पोजिट बनाया जिसमें कार्बन मैट्रिक्स में संलग्न कैथोड सक्रिय सामग्री (एलआई ₂ एस) और इलेक्ट्रोलाइट (ली ₆ पीएस ₅ सीएल) के नैनोकणों से मिलकर बना था ।

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इस नैनोकम्पोजिट के निम्नलिखित फायदे हैं: सबसे पहले, कार्बन में लिथियम के साथ प्रतिक्रिया के दौरान एक सामग्री के नैनोकणों का वितरण, जो मात्रा में बदलता है, जो की मात्रा व्यावहारिक रूप से अपरिवर्तित रहती है, नैनोकंपोसाइट (लचीलापन और शक्ति) के यांत्रिक गुणों में सुधार करती है और दरार के जोखिम को कम करती है। इसके अलावा, कार्बन न केवल चालकता में सुधार करता है, बल्कि लिथियम आयनों के आंदोलन में भी हस्तक्षेप नहीं करता है, क्योंकि इसमें आयनों की चालकता भी अच्छी है। और इस तथ्य के कारण कि सक्रिय सामग्री नैनोसंरचित है, लिथियम को प्रतिक्रिया करने के लिए लंबी दूरी की यात्रा नहीं करनी पड़ती है, और सामग्री की पूरी मात्रा का अधिक कुशलता से उपयोग किया जाता है। अन्त में, इस तरह के एक सम्मिश्र के उपयोग से इलेक्ट्रोलाइट, सक्रिय सामग्री और प्रवाहकीय कार्बन के बीच संपर्क में सुधार होता है।

नतीजतन, वैज्ञानिकों को लगभग 830 एमएएच / जी की क्षमता के साथ पूरी तरह से ठोस बैटरी मिली। बेशक, ऐसी बैटरी को अंतरिक्ष में लॉन्च करने के बारे में बात करना बहुत जल्दी है, क्योंकि ऐसी बैटरी केवल 60 चार्ज / डिस्चार्ज चक्रों के लिए काम करती है। लेकिन एक ही समय में, क्षमता के इतनी तेजी से नुकसान के बावजूद, 60 चक्र पिछले परिणामों पर पहले से ही एक महत्वपूर्ण सुधार है, इससे पहले, ठोस लिथियम-सल्फर बैटरी 20 से अधिक चक्रों के लिए काम नहीं करती थी। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि ऐसे ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स एक विस्तृत तापमान रेंज में काम कर सकते हैं (वैसे, वे 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर सबसे अच्छा काम करते हैं), ताकि इलेक्ट्रोलाइट की तुलना में सक्रिय सामग्रियों के कारण ऐसी बैटरी की तापमान सीमा अधिक होने की संभावना हो, जो इस तरह की प्रणालियों को अलग करती है इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्बनिक समाधान का उपयोग करने वाली बैटरियों से।

सूत्रों का कहना है

Nano Lett., 2016, 16 (7), pp 4521–4527
interface.ecsdl.org/content/25/3/26

भविष्य के अंतरिक्ष कार्यक्रमों के लिए लिथियम-सल्फर बैटरी

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