سائنس دانوں نے ایک ایسا راستہ تلاش کیا ہے جو بیک وقت ہوا/پانی کے عدم استحکام اور سوڈیم آئن بیٹریوں کے لیے سوڈیم-ٹرانزیشن-میٹل-آکسائڈ پر مبنی کیتھوڈ میٹیریل کی ساختی-کم-الیکٹرو کیمیکل عدم استحکام کو دور کر سکتا ہے اور اس کے مطابق نئی ہوا/پانی- مستحکم، مستحکم اور اعلی کارکردگی والے کیتھوڈ میٹیریل نئے تیار کردہ مواد ہوا/پانی کی نمائش پر اعلی الیکٹرو کیمیکل سائیکلک استحکام اور استحکام کی نمائش کرتے ہیں۔ اس طرح ایسے نظاموں کی ترقی میں سہولت فراہم کرتے ہیں جن سے توقع کی جاتی ہے کہ مختلف ایپلی کیشنز کے لیے کفایتی اور پائیدار توانائی ذخیرہ کرنے کے نظام بشمول صارفین کے الیکٹرانک آلات، گرڈ توانائی کا ذخیرہ، قابل تجدید ذرائع سے حاصل کی گئی توانائی کا ذخیرہ اور بالآخر الیکٹرک گاڑیاں کے طور پر کام کریں گے۔

چونکہ آب و ہوا اور ماحولیاتی خدشات کی وجہ سے بیٹری سے چلنے والی الیکٹرک گاڑیوں کی اہمیت بڑھ جاتی ہے، لی-آئن سسٹم سے آگے ایک کفایتی، وسائل کے موافق، محفوظ اور پائیدار الکلی میٹل آئن بیٹری سسٹم کی ترقی ضروری ہے۔ ہندوستان کے پاس Na-ذرائع کی کثرت ہے، جو آنے والے Na-ion بیٹری سسٹم کو ہندوستانی تناظر میں انتہائی اہم قرار دیتا ہے۔ کسی بھی الکلی میٹل آئن بیٹری سیل کی طرح، نا-آئن سیل میں کیتھوڈ اور اینوڈ ایکٹیو میٹریل ہوتے ہیں (میٹالک کرنٹ کلیکٹر فوائلز پر سپورٹ کیا جاتا ہے)، جو چارج کے دوران چارج کیریئر (جیسے، نا-آئن) کو الٹ جانے/ ہٹانے میں سہولت فراہم کرتا ہے۔ سیل کا خارج ہونا. ایسے خلیے میں کیتھوڈ مواد Na-ریزروائر کے طور پر شروع ہوتا ہے، سیل کی کارکردگی الیکٹروڈز کے ساختی/برقی کیمیکل استحکام، Na-ٹرانسپورٹ کینیٹکس، اور مختلف مزاحمت (جو فطرت میں متحرک ہیں) پر منحصر ہوتی ہے۔

سوڈیم آئن بیٹریوں کے بہت سے فوائد کے باوجود ‘پرتوں والے’ Na-TM-آکسائیڈ پر مبنی کیتھوڈ مواد کے الیکٹرو کیمیکل رویے/کارکردگی اور نمی کی نمائش پر ان کے استحکام کے لیے Na-ion بیٹری سسٹمز کے وسیع پیمانے پر ترقی اور استعمال کے لیے خاطر خواہ بہتری کی ضرورت ہے۔ ایک حقیقت بننے کے لئے ایپلی کیشنز کی ایک قسم. اس کی وجہ یہ ہے کہ اس طرح کے استحکام کی کمی Na-T_M-oxide کی ہینڈلنگ/سٹوریج کو چیلنج کرتی ہے اور ان کی الیکٹرو کیمیکل کارکردگی کو بھی منفی طور پر متاثر کرتی ہے۔ اس کے علاوہ پانی کی عدم استحکام الیکٹروڈ کی تیاری کے لیے زہریلے-خطرناک-مہنگے کیمیکلز جیسے N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) کے استعمال کو لازمی قرار دیتی ہے، جیسا کہ پانی پر مبنی سلوریوں کے ممکنہ استعمال کے برعکس ہے۔

آئی آئی ٹی بمبئی میں پروفیسر امرتیہ مکواپادھیائے کے گروپ نے اپنی حالیہ تحقیق میں میٹیریل سائنس اور الیکٹرو کیمیکل اصولوں سے فائدہ اٹھایا تاکہ غالب عوامل اور کنٹرول کرنے والے پیرامیٹرز کو ظاہر کیا جا سکے جو اس چیلنج سے نمٹنے کے لیے اعلیٰ کارکردگی والی Na-ion بیٹریاں تیار کرنے میں مدد کر سکتے ہیں۔ سائنس اور انجینئرنگ ریسرچ بورڈ (ایس ای آر بی) جو کہ سائنس اور ٹیکنالوجی کے شعبہ (ڈی ایس ٹی) سے منسلک ادارہ ہے اور سائنس اور ٹیکنالوجی کے شعبہ کے میٹریل فار انرجی اسٹوریج اسکیم کے تعاون سے اپنی تحقیق میں انہوں نے ایک آفاقی ڈیزائن کا معیار تیار کیا ہے، جس سے کامیاب ڈیزائن کی طرف راہ ہموار ہوئی ہے اور پائیدار Na-ion بیٹری سسٹم اور اس سے آگے کے لیے ماحولیاتی طور پر مستحکم اور اعلیٰ کارکردگی والے کیتھوڈس کی وسیع پیمانے پر ترقی ہوتی ہے۔ محققین نے جرنل کیمیکل کمیونیکیشنز میں شائع ہونے والے ایک مقالے میں TM-O بانڈ کوولینسی کو ٹیوننگ کرکے ‘‘انٹر لیب’’ وقفہ کاری کو متعارف کراتے ہوئے Na-ion بیٹری کیتھوڈ کے Na-T_M-oxide ڈھانچے کے متبادل سلیب پرتوں والے ڈھانچے میں تبدیلی کی تجویز پیش کی ہے۔

عام ‘پرتوں والا’ Na-T_M-oxide ڈھانچہ NaO2 ( (O-Na-Oاور T_MO₂ (O-T_M-O) پر مشتمل متبادل ‘سلیب’ سے بنا ہوا ہے، جس میں O-ions (جو خالص منفی چارج رکھتے ہیں) ) T_M-ions اور Na-ions کی طرف سے ان کی متعلقہ تہوں میں مشترک کیا جا رہا ہے (O-ion دونوں کیشنز کے لیے عام ہے)، جبکہ T_M-O بانڈ فطرت میں iono-covalent ہے، Na-O بنیادی طور پر ionic ہے۔ اس طرح کے 'پرتوں والے' ڈھانچے میں T_M-O بانڈ کی ہم آہنگی کی ڈگری کو T_M -پرت میں کیشنز کے مناسب امتزاج کو ڈیزائن کرنے سے O-ion پر خالص/مؤثر منفی چارج کو ٹیون کیا جا سکتا ہے، جس کے نتیجے میں، Na- اور O- آئنوں کے درمیان الیکٹرو اسٹاٹک کشش کو اور Na- پرت کے پار O- آئنوں کے درمیان ریپلشن کو بھی متاثر کر سکتا ہے۔

مثال کے طور پر T_M-O ہم آہنگی میں کمی کی وجہ سے O-ion پر زیادہ خالص/مؤثر منفی چارج Na-ions اور O-ions کے درمیان الیکٹرو سٹیٹک کشش پیدا کرے گا، جو بنیادی طور پر ionic Na-O بانڈ کو مضبوط اور چھوٹا بناتا ہے۔ جریدے میں شائع ہونے والی تحقیق ایڈوانس انرجی میٹر میں محققین نے ظاہر کیا کہ مندرجہ بالا کو ایک 'انٹر سلیب' وقفہ کاری (یا نا-پرت کی موٹائی) کو کم کرنے کا باعث بننا چاہیے اور ہوا/پانی کے استحکام کو بہتر بنانے کے ساتھ ساتھ نقصان دہ ساختی/فیز ٹرانزیشن کی موجودگی کو روک سکتا ہے۔ O3 ساختہ Na-T_M-oxide پر مبنی کیتھوڈ مواد۔ اس سے نا-آئن بیٹریوں کے لیے اعلیٰ کارکردگی والے واٹر اسٹیبل کیتھوڈس کی ترقی میں مدد مل سکتی ہے جو کہ صحت/ماحول دوستانہ اور کفایتی لاگت والے ‘آبی’ پروسیسنگ روٹ کے ذریعے تیار کیے جا سکتے ہیں (جیسا کہ  جے میٹر کیم اے کی ایک اور اشاعت میں بھی دکھایا گیا ہے)۔

شکل 1. Na-O بانڈ کے کردار پر T_M­-O بانڈ ہم آہنگی کے اثر و رسوخ کی عکاسی اور اس کے نتیجے میں Na-پرت کی موٹائی (یعنی ‘انٹر سلیب’ وقفہ کاری) ‘پرتوں والے’ Na-T_M-oxide ساخت. T_M: ٹرانزیشن میٹل، E.N.: برقی منفیت؛ دائیں ہاتھ کی شکل کے لیے، گرے بالز: Na-ions، سبز گیندیں: O-ions، نیلے متوازی گرام: T_MO₆ (جیسا کہ شائع ہوا، Adv. Energy Mater. (2023) 2204407؛ DOI: 10.1002/aenm.202204407)

اس کے برعکس O-ion پر ایک کم موثر منفی چارج، جیسا کہ زیادہ T_M-O بانڈ ہم آہنگی کی وجہ سے Na- اور O-ions کے درمیان الیکٹرو اسٹاٹک کشش کو کم کر دے گا، جس کے نتیجے میں ایک کمزور-کم-لمبا Na-O بانڈ بنتا ہے۔ اور اس طرح ایک بڑھا ہوا ‘انٹر سلیب’ وقفہ کاری (Na-پرت کی موٹائی)۔

یہ تیز رفتار Na-ٹرانسپورٹ کائینیٹکس کو سہولت فراہم کرے گا اور اس طرح کیتھوڈ کی شرح کی صلاحیت میں اضافہ، Na-ion بیٹریوں کی طاقت کی کثافت کو نمایاں طور پر بڑھانے کا وعدہ کرتا ہے، جیسا کہ کیم جریدے کمیون.. میں شائع ہونے والے مطالعہ میں دکھایا گیا ہے۔ ایک الائیڈ منطق کا استعمال کرتے ہوئے یعنی O-آئنز پر مؤثر منفی چارج کو کم کرنے کے لیے TM-O بانڈ کی ہم آہنگی میں اضافہ جیسا کہ Na-ions کے prismatic O-Coordination کو مستحکم کرنے کے لیے ضروری ہے (جیسا کہ ایک مخصوص ساخت کی اقسام میں یعنی P2)، گروپ Na-TM-oxide کیتھوڈ مواد کے لیے موروثی طور پر زیادہ شرح کے قابل اور الیکٹرو کیمیکل طور پر زیادہ مستحکم P2 ڈھانچے کو ~0.84 p.f.u کے کافی زیادہ ابتدائی Na- مواد پر مستحکم کرنے میں کامیاب رہا ہے۔ (جیسا کہ عام طور پر حاصل کردہ <0.7 p.f.u. کے مقابلے)؛ Na-ذخیرہ کرنے کی صلاحیت میں نمایاں اضافہ اور ہوا/پانی کے استحکام کا باعث بنتا ہے۔ کیم میٹر نامی جریدے میں یہ اطلاع دی گئی ہے۔ مندرجہ بالا پیش رفت بہت زیادہ عملی اہمیت کی حامل ہیں اور اس سے منسلک نئی معلومات سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ الیکٹروڈز کی صحت/ماحول دوستانہ پروسیسنگ کے ذریعے اعلیٰ کارکردگی اور کفایتی لاگت والے Na-ion بیٹری سسٹمز کی وسیع پیمانے پر ترقی میں سہولت فراہم کریں گے۔

شکل 2. 'انٹر سلیب' کے وقفہ کاری (یعنی Na-پرت کی موٹائی) کو چوڑا کرنے پر اٹھائے گئے T_M­-O بانڈ ہم آہنگی کے اثر و رسوخ کی عکاسی اور اس طرح شرح کی صلاحیت میں اضافہ، جیسا کہ نئے تیار کردہ اعلی شرح کے قابل O3 ساختہ Na(Li_0.05Ni_0.3Ti_0.45Si_0.05Cu_0.1Mg_0.05)­O₂ کیتھوڈ مواد کے لیے پیش کیا گیا ہے۔ (جیسا کہ Chem. Commun. 59 (2023) 4332-4335) میں شائع ہوا۔

تصویر 3۔ Na-T_M-oxide کے لیے P2 ڈھانچے کے استحکام پر T_M­-O بانڈ ہم آہنگی کے بڑھے ہوئے اثر کی عکاسی یہاں تک کہ ~0.84 p.f.u کے اعلی Na- مواد پر بھی؛ اس طرح ایک اعلیٰ صلاحیت کی ترقی کا باعث بنتی ہے (یعنی آج تک کی سب سے زیادہ مطلع شدہ سے زیادہ) اور انتہائی مستحکم P2 ساختہ Na([]_0.06Li_0.04Mg_0.02Ni_0.22Mn_0.66)O₂ کیتھوڈ مواد، جو بہترین نمائش کرتا ہے۔ Na-ion خلیات میں کارکردگی (جیسا کہ Chem. Mater. 34[23] (2022) 10470–10483) میں شائع ہوا۔

حالیہ اشاعت کے لنکس

https://doi.org/10.1002/aenm.202204407

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cc/d3cc00079f

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.2c02478

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ta/d0ta05169a

متعلقہ پیٹنٹ

 1. بسواس، بی ایس کمار، اے پردیپ اور اے مکو اپادھیائے: Na-ion بیٹریوں کے لیے O3 ساختہ 'پرتوں والا' سوڈیم ٹرانزیشن میٹل آکسائیڈ پر مبنی کیتھوڈ میٹریل؛ ہندوستانی پیٹنٹ اپلیکیشن نمبر: 202321016587، مورخہ 13-03-2023 (پیٹنٹ دائر)

بی ایس کمار، اے پردیپ، امردیپ اور اے مکوپادھیائے: اعلی سوڈیم پر مشتمل P2 قسم سوڈیم ٹرانزیشن میٹل آکسائیڈ پر مبنی کیتھوڈ برائے نا-آئن بیٹریاں؛ ہندوستانی پیٹنٹ نمبر: 406595؛ مورخہ: 14/09/2022 (پیٹنٹ دیا گیا)

۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔

 

ش ح۔ م ع۔ع ن

 (U: 5182)

(Release ID: 1924598) Visitor Counter : 118