सुरक्षित और लचीली जिंक-धातु बैटरियों के लिए स्व-उपचार (Self-Healing) हाइड्रोजेल इलेक्ट्रोलाइट
एक स्वाभाविक रूप से स्व-उपचार करने वाला (self-healing) हाइड्रोजेल पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट, जिसे ध्रुवीय सहसंयोजक (polar covalent), हाइड्रोजन-बॉन्डिंग और समन्वय (coordination) अंतःक्रियाओं के समन्वय से विकसित किया गया है, विशेष रूप से रिचार्जेबल जिंक-धातु बैटरियों में उच्च आयनिक चालकता, यांत्रिक मजबूती और दीर्घकालिक स्थिरता प्रदान करता है।
हाइड्रोजेल इलेक्ट्रोलाइट एक जल-युक्त पॉलिमर नेटवर्क होता है, जो आयनों का संचालन करते हुए लचीला और यांत्रिक रूप से मजबूत बना रहता है। यह पहनने योग्य (wearable) या विकृत होने योग्य (deformable) बैटरियों के लिए अत्यंत उपयुक्त होता है।
डेंड्राइट्स सुई जैसी जिंक संरचनाएँ होती हैं, जो बैटरी के चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के दौरान बनती हैं। ये सेपरेटर को भेद सकती हैं, शॉर्ट सर्किट उत्पन्न कर सकती हैं और अंततः बैटरी विफलता का कारण बनती हैं।
रिचार्जेबल जिंक- धातु बैटरियाँ (RZMBs) लिथियम-आयन प्रणालियों के एक सुरक्षित और कम लागत वाले विकल्प के रूप में उभर रही हैं। जिंक प्रचुर मात्रा में उपलब्ध, पर्यावरण के अनुकूल और स्वाभाविक रूप से सुरक्षित है। फिर भी, इनके व्यापक उपयोग में कुछ प्रमुख चुनौतियाँ बाधा बन रही हैं—डेंड्राइट निर्माण, हाइड्रोजन गैस का उत्सर्जन और यांत्रिक क्षति—जो बैटरी की दक्षता और आयु को प्रभावित करती हैं।
सीएसआईआर-राष्ट्रीय रासायनिक प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने डॉ. श्रीकुमार कुरुंगोत और सुश्री प्रियंका पंदिन्हारे पुथियावेतील के नेतृत्व में PHBC-4 नामक एक नया स्व-उपचार करने वाला हाइड्रोजेल पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट विकसित किया है, जो इन सुरक्षा और स्थायित्व से जुड़ी चुनौतियों का समाधान करता है।
उनका यह शोध एडवांस्ड एनर्जी मैटेरियल्स में प्रकाशित हुआ है, जिसमें एक ऐसे इलेक्ट्रोलाइट को प्रस्तुत किया गया है जो यांत्रिक तनाव के बावजूद अपनी कार्यक्षमता बनाए रखने में सक्षम है।
लचीली रिचार्जेबल जिंक धातु बैटरी
हाइड्रोजेल का मुख्य रहस्य इसके गतिशील (dynamic) पॉलिमर नेटवर्क में निहित है, जो हाइड्रोजन बॉन्डिंग, ध्रुवीय सहसंयोजक B–O अंतःक्रियाओं और Zn–O समन्वय बंधों के माध्यम से निर्मित होता है। यह संरचना एक साथ डेंड्राइट निर्माण को नियंत्रित करती है, जो पारंपरिक जिंक- धातु बैटरियों में शॉर्ट सर्किट और बैटरी की विफलता का एक प्रमुख कारण होता है।
इस सामग्री की एक प्रमुख विशेषता इसकी स्वायत्त स्व-उपचार (self-healing) क्षमता है, जिसमें हाइड्रोजेल मात्र पाँच मिनट में अपनी यांत्रिक मजबूती का लगभग 93% पुनः प्राप्त कर सकता है। शोधकर्ताओं ने इस विशेषता का प्रदर्शन PHBC-4 इलेक्ट्रोलाइट से बनी एक लचीली पाउच सेल द्वारा LED जलाकर किया। यहाँ तक कि जब पाउच सेल को कैंची से काट दिया गया, तब भी इसकी आंतरिक संरचना पुनः जुड़ गई और LED जलती रही, जिससे इसके लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की संभावना सिद्ध हुई।
PHBC-4 इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन में भी उत्कृष्ट है। इसमें उच्च आयनिक चालकता (4.6 × 10⁻² S cm⁻¹) और 0.89 का कैटायन ट्रांसफरेंस नंबर पाया गया है, जो जिंक आयनों के कुशल परिवहन को सुनिश्चित करता है। Zn-मिश्रित MnO₂ कैथोड के साथ, बैटरी ने 490 से अधिक चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों तक स्थिर प्रदर्शन बनाए रखा, जबकि Zn||Zn सममित कोशिकाओं में 1,032 घंटों से अधिक समय तक स्थिर प्लेटिंग-स्ट्रिपिंग देखी गई, जो इसकी उच्च स्थायित्व को दर्शाती है।
रिचार्जेबल जिंक- धातु बैटरियाँ अपनी उच्च सुरक्षा, प्रचुर कच्चे माल और पर्यावरणीय अनुकूलता के कारण तेजी से महत्वपूर्ण बन रही हैं। फिर भी, डेंड्राइट वृद्धि, हाइड्रोजन गैस उत्सर्जन और यांत्रिक विफलता जैसी समस्याएँ इनके व्यावहारिक उपयोग को सीमित करती रही हैं। PHBC-4 इलेक्ट्रोलाइट इन सभी बाधाओं को दूर करते हुए समान और सुचारु जिंक जमाव (deposition) सुनिश्चित करता है तथा यांत्रिक तनाव के बावजूद संरचनात्मक स्थिरता बनाए रखता है।
पारंपरिक दृष्टिकोणों के विपरीत, जो मुख्यतः इलेक्ट्रोड या सुरक्षात्मक परतों पर केंद्रित होते हैं, PHBC-4 एक बहु-कार्यात्मक इलेक्ट्रोलाइट रणनीति प्रस्तुत करता है। डेंड्राइट निर्माण को रोकने, आयन परिवहन को सुगम बनाने और यांत्रिक क्षति की स्व-उपचार क्षमता के माध्यम से यह सुरक्षित, दीर्घकालिक और लचीली जिंक-धातु बैटरियों के विकास का मार्ग प्रशस्त करता है।
जैसे-जैसे लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का विस्तार हो रहा है, PHBC-4 जैसी नवाचार तकनीकें अगली पीढ़ी के सतत ऊर्जा भंडारण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हैं, जो सुरक्षा, प्रदर्शन और अनुकूलनशीलता का प्रभावी संयोजन प्रस्तुत करती हैं।
उच्च-प्रदर्शन वाली रिचार्जेबल जिंक- धातु बैटरियों के लिए गतिशील ध्रुवीय सहसंयोजक और गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं द्वारा सक्षम स्व-उपचार हाइड्रोजेल इलेक्ट्रोलाइट: सतत ऊर्जा भंडारण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम
लेखक:
प्रियंका पांडिन्हारे पुथियावेतील,
रचना मारिया कुरियन,
निखिल एस. समुद्रे, राजलक्ष्मी बालासुब्रमणियन,
अरुण टॉरिस, फायिस कन्हीरम पॉकिल, सुरेश भट*, टी.
जी. अजीत कुमार*,
शैलजा कृष्णमूर्ति*, श्रीकुमार कुरुंगोट*