यह लचीली बैटरी मुड़ने, पंचर होने और आधे में कट जाने के बाद भी काम करती है

यह पंक्चर, रेजर से कट और पूरे एक महीने तक इस्तेमाल के बावजूद बिना एक बूँद भी गिरे टिकी रही।

पहली नज़र में, यह सिलिकॉन का एक पतला सा टुकड़ा लगता है, जैसा आप किसी स्टिकर से छीलकर देख सकते हैं। लेकिन अंदर, इसकी कोमलता का यह छोटा सा टुकड़ा ऊर्जा भंडारण में एक बड़ी उपलब्धि छुपाए हुए है। ज़्यादातर लिथियम-आयन बैटरियों के विपरीत, जो कठोर, ज्वलनशील और धातु के आवरण में कसकर बंद होती हैं, यह अपनी मूल लंबाई से 13 गुना ज़्यादा तक खिंच सकती है, दो टुकड़ों में कटने के बाद भी खुद को ठीक कर सकती है, और मुड़ने, मोड़ने और चोट लगने के बावजूद एक एलईडी लाइट को बिजली देती रहती है। और यह सब यह खुली हवा में करता है – बिना लीक, विस्फोट या रुके।

मुड़ने के लिए बनी, बचने के लिए डिज़ाइन की गई

लिथियम-आयन बैटरियाँ आधुनिक दुनिया को चलाती हैं। लेकिन ये भंगुर और संभावित रूप से खतरनाक भी होते हैं। इनके कार्बनिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स, जो आवेशित लिथियम आयनों को इलेक्ट्रोडों के बीच ले जाते हैं, ज्वलनशील और विषैले होते हैं। रिसाव और पानी से होने वाले नुकसान से बचने के लिए, निर्माता इन्हें कठोर, अभेद्य धातु में लपेटते हैं।

फ़ोन और कारों के लिए तो यह ठीक है। लेकिन पहनने योग्य उपकरणों, मुलायम रोबोटों और इलेक्ट्रॉनिक त्वचा की आने वाली लहर के लिए, लचीलापन एक ज़रूरत है और कठोर आवरण एक बोझ हैं।

वैज्ञानिकों ने पानी आधारित हाइड्रोजेल को सुरक्षित और लचीले इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में इस्तेमाल करने की कोशिश की है। समस्या यह है कि पानी कम वोल्टेज पर टूट जाता है, जिससे ऐसी बैटरियों की सुरक्षित रूप से दी जाने वाली शक्ति सीमित हो जाती है। इस सीमा को बढ़ाने के पहले के प्रयासों में फ्लोरिनेटेड लिथियम लवणों का इस्तेमाल किया गया था – जो खुद महंगे, पर्यावरण के लिए स्थायी और फिर भी विषैले होते हैं। और यह स्पष्ट रूप से उन उपकरणों के लिए आदर्श नहीं है जो आपकी त्वचा पर या आपके शरीर के अंदर जाते हैं।

इस बार, कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के वैज्ञानिकों ने एक अलग रास्ता अपनाया।

जेल को नमक से भरने या फ्लोरीनयुक्त यौगिकों पर निर्भर रहने के बजाय, टीम ने एक “जल-दुर्लभ ज़्विटरियोनिक हाइड्रोजेल” (WZH) तैयार किया। इसके अंदर, लिथियम आयन मुक्त जल अणुओं द्वारा नहीं, बल्कि जेल की रीढ़ की हड्डी के सावधानीपूर्वक समायोजित रसायन द्वारा स्थिर होते हैं: चतुर्धातुक अमोनियम और सल्फोनिक अम्ल समूहों का मिश्रण जो लिथियम आयनों को आकर्षित और फँसाते हैं, साथ ही पानी को इतनी मजबूती से बाँधते हैं कि वह खराब व्यवहार न करे।

संक्षेप में, यह एक विशेष हाइड्रोजेल है जो 3.11 वोल्ट तक की वोल्टेज विंडो पर काम करता है – जो कई व्यावसायिक लिथियम-आयन बैटरियों के लिए पर्याप्त है – बिना किसी कठोर, वायुरोधी आवरण की आवश्यकता के। इसमें जल की मात्रा केवल 19% है, जो इसे अवांछित प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए पर्याप्त कम बनाती है, फिर भी आयनों को स्वतंत्र रूप से प्रवाहित रखने के लिए पर्याप्त उच्च है।

यह पदार्थ, वास्तव में, एक नए प्रकार का इलेक्ट्रोलाइट है।

दिखने से ज़्यादा मज़बूत

इसका परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लचीले, लहरदार इलेक्ट्रोड और उनके WZH हाइड्रोजेल से पूरी तरह लिथियम-आयन बैटरियाँ बनाईं। फिर उन्होंने उन्हें परीक्षण के दौर से गुज़ारा। उन्होंने उन्हें उनकी मूल लंबाई के 50% तक मोड़ा, मोड़ा और खींचा। उन्होंने उन्हें बार-बार सुइयों से चुभाया और उन्हें आधा काट दिया। एक परीक्षण में, बैटरी में लगातार पाँच बार छेद होने के बावजूद, एक एलईडी जलती रही।

हर चोट के बाद, बैटरी को आराम दिया गया – या कुछ मामलों में, थोड़ी देर के लिए 70°C तक गर्म किया गया। कुछ ही मिनटों में, यह खुद-ब-खुद जुड़ गई। काटने और ठीक करने के दस चक्रों के परिणामस्वरूप प्रतिरोध में 10% से भी कम परिवर्तन हुआ।

और यह काम करती रही। 500 से ज़्यादा चार्ज चक्रों में, बैटरी ने प्राप्त ऊर्जा का 95 प्रतिशत डिस्चार्ज कर दिया। यह कई व्यावसायिक स्मार्टफोन बैटरियों के बराबर है, जिन्हें लगभग 500 चक्रों के लिए डिज़ाइन किया गया है।

यह लचीलापन जेल की आणविक संरचना से आता है। इसके आधार में न केवल आयन-ट्रैपिंग समूह होते हैं, बल्कि हाइड्रोजन बॉन्ड दाता और स्वीकर्ता भी होते हैं जो क्षति के बाद फिर से जुड़ जाते हैं। ये गतिशील बंधन पदार्थ को जीवित ऊतक की तरह खुद को फिर से जोड़ने में मदद करते हैं।

फिर भी, इसमें सुधार की गुंजाइश है। 500 चक्रों के बाद, प्रोटोटाइप अपनी मूल क्षमता का केवल 60 प्रतिशत ही बचा पाया, जो उद्योग मानक 80 प्रतिशत से कम है। और इसका ऊर्जा घनत्व व्यावसायिक लिथियम-आयन सेलों का केवल दसवां हिस्सा है।

लेकिन शोधकर्ताओं का तर्क है कि यह कम घनत्व कोई बड़ी समस्या नहीं है।

अध्ययन के वरिष्ठ लेखक और मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर लीवेई लिन ने कहा, “आपकी स्मार्टवॉच बैटरी से चलती है, लेकिन इस घड़ी का बैंड आज केवल यांत्रिक कार्य करता है।” “अगर आप बैंड को हमारी बैटरी से बदल सकते हैं, तो आपके पास काम करने के लिए ज़्यादा जगह और ज़्यादा वॉल्यूम होगा। दिन में एक बार रिचार्ज करने की बजाय, यह शायद एक हफ़्ते तक काम कर सकता है।”

प्रयोगशाला से आपकी त्वचा तक

पहनने योग्य उपकरण, जो अब बेढंगी बैटरियों पर निर्भर करते हैं, पूरी तरह लचीले हो सकते हैं। जीवित प्राणियों की तरह चलने के लिए डिज़ाइन किए गए सॉफ्ट रोबोट, मांसपेशियों जैसी संरचनाओं में अपनी शक्ति ले जा सकते हैं। मेडिकल इम्प्लांट कम आक्रामक, ज़्यादा अनुकूलनीय और सुरक्षित हो सकते हैं।

और फिर मन की शांति भी।

लिन ने कहा, “आजकल बैटरियों को एक कठोर पैकेज की ज़रूरत होती है क्योंकि उनमें इस्तेमाल होने वाला इलेक्ट्रोलाइट विस्फोटक होता है।” “हम एक ऐसी बैटरी बनाना चाहते थे जो इस कठोर पैकेज के बिना भी सुरक्षित रूप से चल सके।”

टीम की बड़ी योजनाएँ हैं। वे 3D पोरस इलेक्ट्रोड और नई कैथोड सामग्रियों का उपयोग करके बैटरी की क्षमता बढ़ाने के तरीके खोज रहे हैं जो जेल की उच्च वोल्टेज विंडो का बेहतर उपयोग कर सकें। वे यह भी देख रहे हैं कि यह तकनीक जिंक या सल्फर-आधारित डिज़ाइनों सहित अन्य बैटरी रसायनों में कैसे काम कर सकती है।

फ़िलहाल, WZH बैटरी इस अवधारणा का एक अद्भुत प्रमाण है। यह दर्शाता है कि एक नरम, सुरक्षित, लचीली लिथियम-आयन बैटरी न केवल संभव है – बल्कि यह वास्तविक दुनिया के दुरुपयोग को भी झेल सकती है और काम करती रह सकती है।

ये निष्कर्ष साइंस एडवांसेज पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं।

स्रोत: ZME साइंस एंड टेक्नोलॉजी / डिग्पू न्यूज़टेक्स