यी कुई अत्यंत छोटी संरचनाओं को विकसित करने के लिए नैनो विज्ञान की शक्ति का उपयोग कर रही है - जो स्वच्छ ऊर्जा संक्रमण में एक बड़ी भूमिका निभाती हैं
पिग्मी माउस लेमुर और गोरिल्ला के बीच कुश्ती मैच में, अंतर्ज्ञान से पता चलता है कि बड़ा प्राइमेट जीतेगा। यह धारणा कि आकार ताकत के बराबर है, विज्ञान कथा में भी प्रतिध्वनित होती है, जिसे 1956 के उपन्यास जैसे कार्यों में दर्शाया गया है सिकुड़ता हुआ आदमी और 1989 फिल्म हनी, मैं बच्चों सिकुड़, दोनों यह खोज कर रहे हैं कि यदि मनुष्य अचानक चींटियों से भी छोटे हो जाएं तो दुनिया कितनी भयानक होगी।
नैनोसाइंस इस परंपरा को उलट देता है: जैसे-जैसे सामग्री नैनोस्केल के आकार में घटती जाती है, वे वास्तव में बढ़ी हुई ताकत का प्रदर्शन कर सकती हैं। एक नैनोमीटर कितना बड़ा होता है? एक मीटर का एक अरबवाँ हिस्सा, या लगभग एक सेकंड में आपके नाखून कितने बढ़ते हैं। कागज की एक शीट की मोटाई चौंका देने वाली 100,000 नैनोमीटर मापती है।
सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के फोर्टिनेट संस्थापक प्रोफेसर यी कुई ने स्वच्छ ऊर्जा संक्रमण के एक महत्वपूर्ण पहलू: बैटरी भंडारण में क्रांति लाने के लिए नैनोसाइंस की क्षमता को अनलॉक करने के लिए लगभग दो दशक समर्पित किए हैं।
जबकि लिथियम-आयन बैटरियां आमतौर पर पोर्टेबल उपकरणों - सेल फोन, पेसमेकर - से जुड़ी होती हैं - डीकार्बोनाइजेशन की दुनिया में ऊर्जा-सघन बैटरियों की मांग बढ़ रही है। जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता को कम करने के लिए महत्वपूर्ण इलेक्ट्रिक कारों और विमानों का संक्रमण, शक्तिशाली बैटरियों के विकास पर निर्भर करता है। और जैसे-जैसे अधिक घर और व्यवसाय सौर ऊर्जा को अपना रहे हैं, बड़ी, ऊर्जा-सघन बैटरियों की आवश्यकता बढ़ रही है जो रात भर या प्रतिकूल मौसम की स्थिति के दौरान उपयोग के लिए अतिरिक्त बिजली संग्रहीत करने में सक्षम हैं।
ईंधन कोशिकाओं के विपरीत - स्वच्छ ऊर्जा संक्रमण में एक और अग्रणी - बैटरियां मौजूदा बिजली के बुनियादी ढांचे का लाभ उठाने का लाभ प्रदान करती हैं। लेकिन वे सुरक्षा और लागत जैसी चुनौतियाँ भी पेश करते हैं। किसी भी व्यवहार्य बैटरी समाधान को सभी संभावित तापमान स्थितियों का सामना करना होगा और व्यापक रूप से अपनाने के लिए पर्याप्त सस्ता होना चाहिए।
नैनोसाइंस दर्ज करें. सामग्रियों के भौतिक और रासायनिक गुण नैनोस्केल पर नाटकीय रूप से बदल सकते हैं, जो आंशिक रूप से क्वांटम यांत्रिकी और अधिक सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात द्वारा संचालित होते हैं। उदाहरण के लिए, जबकि मैक्रोस्केल पर कार्बन आपकी पेंसिल में स्नैपेबल ग्रेफाइट का निर्माण कर सकता है, नैनोस्केल पर कार्बन स्टील से अधिक मजबूत है। इसी तरह, एल्युमीनियम, जो थोक में स्थिर होता है, नैनोस्केल पर दहनशील हो जाता है। यी कुई के लिए, नैनोस्केल पर इस तरह के आमूलचूल परिवर्तन बैटरी प्रौद्योगिकी में अभूतपूर्व नवाचार का मार्ग खोलते हैं।
अधिकांश बैटरियों में सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कंडक्टर होते हैं - एक एनोड और कैथोड, क्रमशः - एक इलेक्ट्रोलाइट में निलंबित। जैसे ही आयन एनोड और कैथोड के बीच चलते हैं, ऊर्जा का निर्वहन होता है, जिससे शक्ति उत्पन्न होती है।
संभावित एनोड के रूप में सिलिकॉन लंबे समय से आकर्षक रहा है क्योंकि इसमें ऊर्जा घनत्व अधिक है और इसकी लागत मुख्य रूप से लिथियम-आयन बैटरी में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट एनोड की तुलना में बहुत कम है। हालाँकि, लिथियम डालने और निकालने पर सिलिकॉन की मात्रा 400 प्रतिशत बढ़ जाती है, जिससे बैटरी नष्ट हो जाती है।
कुई का रचनात्मक समाधान? सामग्री को छोटा बनाना. उन्होंने सिलिकॉन नैनोवायर विकसित करने के लिए वाष्प-तरल-ठोस (वीएलएस) प्रक्रिया का उपयोग किया, जिसमें 400-500 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर धातु नैनोकण उत्प्रेरक को सिलिकॉन गैस के संपर्क में लाना, तरल बूंदों के बनने तक सिलिकॉन को नैनोकणों में घोलना शामिल है।
कुई कहते हैं, "आप इस बूंद में सिलिकॉन परमाणु जोड़ते रहें, और यह सुपर-संतृप्त हो जाएगा और एक ठोस सिलिकॉन नैनोवायर आकार में अवक्षेपित हो जाएगा।" "इन तारों को बनाने के लिए यह वास्तव में एक सुंदर, सुरुचिपूर्ण तंत्र है।"
ये नए सिलिकॉन नैनोवायर इलेक्ट्रोड थोक में सिलिकॉन में होने वाले तीव्र क्षरण के बिना महत्वपूर्ण तनाव झेल सकते हैं, जिससे चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के कई चक्रों की अनुमति मिलती है। चूंकि सिलिकॉन एनोड के रूप में ग्रेफाइट की तुलना में 10 गुना अधिक लिथियम संग्रहीत करता है, यह पूर्ण आकार की बैटरी में ऊर्जा की मात्रा को लगभग दोगुना करने की अनुमति देता है।
कुई ने इन निष्कर्षों को 2008 में एक ऐतिहासिक पेपर में प्रकाशित किया। यह दिखाने के अलावा कि शुद्ध सिलिकॉन एनोड के साथ लिथियम-आयन बैटरी बनाना संभव है, पेपर ने प्रभावी ढंग से ऊर्जा भंडारण के लिए नैनोसाइंस के क्षेत्र में अग्रणी भूमिका निभाई।
ऊर्जा भंडारण की "पवित्र कब्र" का पीछा करते हुए
कुई के अनुसार, लिथियम धातु बैटरियां बैटरी अनुसंधान की "पवित्र कब्र" हैं। वे बैटरी500 कंसोर्टियम के लिए प्राथमिक फोकस हैं, जो राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं, शिक्षा जगत और उद्योग के शोधकर्ताओं का एक समूह है, जिसका उद्देश्य बैटरी की ऊर्जा को बढ़ाना, अधिक चार्ज/डिस्चार्ज चक्र की अनुमति देना और बैटरी की लागत को कम करना है - ये सभी विभाग की उपलब्धि के लिए महत्वपूर्ण हैं। कार्बन-तटस्थ ऊर्जा और विद्युतीकरण के लिए ऊर्जा के लक्ष्य। बैटरी500 के सह-निदेशक कुई का कहना है कि लिथियम धातु सिलिकॉन एनोड वाली लिथियम-आयन बैटरी से भी अधिक क्षमता प्रदान करती है।
कुई ने एक इमेजिंग टूल की खोज में वर्षों बिताए जो लिथियम धातु और अन्य बैटरी सामग्रियों में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सके। चूँकि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी से इलेक्ट्रॉन किरणें लिथियम धातु को नष्ट कर देती हैं, इसलिए परमाणु पैमाने पर प्रमुख विशेषताओं का अवलोकन करना असंभव था। विशेष रूप से, कुई लिथियम धातु के ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ की जांच करना चाहता था - सामग्री की एक परत जो एनोड और तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच बनती है।
जब वह बर्कले में पोस्टडॉक्टरल विद्वान थे, तो कुई ने क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो-ईएम) के बारे में सीखा, जो प्रोटीन जैसे जैव अणुओं का अध्ययन करने के लिए संरचनात्मक जीवविज्ञानी द्वारा विकसित एक तकनीक है, लेकिन स्थानिक रिज़ॉल्यूशन लिथियम धातु की जांच के लिए आवश्यक से बहुत दूर था। दस साल बाद, उन्हें एहसास हुआ कि क्रायो-ईएम तकनीक में प्रगति संभावित रूप से बैटरी अनुसंधान में क्रांति ला सकती है।
आउट-द-बॉक्स और आउट-द-डिसिप्लिन दृष्टिकोण पर विचार करने की कुई की इच्छा सफल रही। लिथियम धातु की छवि के लिए क्रायो-ईएम तकनीक विकसित करने में उनकी प्रयोगशाला को केवल चार महीने लगे। सामग्री को तरल नाइट्रोजन के तापमान तक ठंडा करके, कुई परमाणु पैमाने पर लिथियम धातु और इसके ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ की पहली छवियों को कैप्चर करने में सक्षम था। यह उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग लिथियम डेंड्राइट्स की प्रकृति पर प्रकाश डालती है, जो लिथियम धातु बैटरी को शॉर्ट-सर्किट का कारण बनती है, यहां तक कि कुई को परमाणुओं के बीच की दूरी (नैनोमीटर का सातवां हिस्सा) मापने की अनुमति भी देती है।
"शुरुआत में किसी को इस पर विश्वास नहीं हुआ!" कुई यह याद करते हुए हंसते हैं कि सहकर्मी समीक्षकों को इसके लिए मनाना कितना कठिन था विज्ञान कि ये वास्तव में लिथियम धातु की छवियां थीं।
“जब मुझे समाधान नहीं मिल पाता, तो मैं समस्या को वहीं लटका रहने देता हूँ। फिर, मैं एक सप्ताह या महीनों बाद इसके बारे में फिर से सोचूंगा। और यह दशकों तक चल सकता है,'' कुई कहते हैं। "लेकिन मेरे पास एक उदाहरण है जहां, एक दशक बाद, मैंने अंततः इसका पता लगा लिया।"
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जब मुझे समाधान नहीं मिलता, तो मैं समस्या को वहीं लटका रहने देता हूँ।
फिर, मैं एक सप्ताह या महीनों बाद इसके बारे में फिर से सोचूंगा। और यह दशकों तक चल सकता है. लेकिन मेरे पास एक उदाहरण है जहां, एक दशक बाद, मैंने अंततः इसका पता लगा लिया।''
यी कुई
कुई की प्रयोगशाला में एक बैटरी प्रोटोटाइप।
सबसे चुनौतीपूर्ण समस्याओं के साथ, कुई दृढ़ रहने को तैयार है और ऐसा करने में उसे आनंद भी आता है - जलवायु परिवर्तन का सामना करने वाले एक वैज्ञानिक के लिए यह एक महत्वपूर्ण गुण है।
"निश्चित रूप से, बहुत से लोग डर महसूस करते हैं क्योंकि समस्या इतनी बड़ी है कि उन्हें चिंता होती है कि कोई समाधान नहीं है, और वे निराशावादी हो जाते हैं," वह प्रतिबिंबित करते हैं। "मैं आशावादी हूं क्योंकि मुझे विश्वास है कि हम समाधान ढूंढने में सक्षम होंगे।"
सतत जीवन + त्वरित समाधान
सतत जीवन + त्वरित समाधान: प्रभाव
यह क्यों मायने रखती है
स्वच्छ ऊर्जा में परिवर्तन के लिए उच्च ऊर्जा घनत्व वाली सुरक्षित, सस्ती बैटरियाँ आवश्यक हैं। कुई का शोध पवन और सौर ऊर्जा का भंडारण करके, जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता कम करके और महत्वपूर्ण स्थिरता लक्ष्यों को पूरा करके जलवायु परिवर्तन से निपटने में मदद कर सकता है।
आगे क्या होगा
अपनी लैब में चल रहे शोध के अलावा, कुई स्टैनफोर्ड के सस्टेनेबिलिटी एक्सेलेरेटर के नए निदेशक के रूप में एक उद्यमी के रूप में अपने अनुभव का लाभ उठाएंगे, जिसका उद्देश्य वास्तविक दुनिया में प्रौद्योगिकी और नीति समाधानों का अनुवाद करना है।
स्टैनफोर्ड क्यों?
बर्कले में अपनी पोस्टडॉक्टरल फ़ेलोशिप पूरी करने से पहले, कुई को लगभग एक दर्जन कार्यकाल-ट्रैक नौकरी के प्रस्ताव मिले थे। फिर भी, वह जानता था कि कैंपस में अपने पहले साक्षात्कार के बाद वह स्टैनफोर्ड जाना चाहता था। उन्होंने स्कूल के अनूठे, सहयोगात्मक वातावरण और उद्योग के साथ इसके महत्वपूर्ण संबंध को पहचाना।
- एसईओ संचालित सामग्री और पीआर वितरण। आज ही प्रवर्धित हो जाओ।
- प्लेटोडेटा.नेटवर्क वर्टिकल जेनरेटिव एआई। स्वयं को शक्तिवान बनाएं। यहां पहुंचें।
- प्लेटोआईस्ट्रीम। Web3 इंटेलिजेंस। ज्ञान प्रवर्धित। यहां पहुंचें।
- प्लेटोईएसजी. कार्बन, क्लीनटेक, ऊर्जा, पर्यावरण, सौर, कचरा प्रबंधन। यहां पहुंचें।
- प्लेटोहेल्थ। बायोटेक और क्लिनिकल परीक्षण इंटेलिजेंस। यहां पहुंचें।
- स्रोत: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/
