ஜெல் மின்பகுளியுடன் 1,000 கி.மீ. மின்சார வாகனப் பயண இலக்கை நோக்கும் தென் கொரிய சிலிக்கான் மின்கல ஆய்வு

அதிக ஆற்றலைச் சேமிக்க சிலிக்கானுக்கு ஜெல் உதவுகிறது

தென் கொரியாவின் போஹாங் அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்பப் பல்கலைக்கழகத்தைச் (POSTECH) சேர்ந்த ஆய்வாளர்கள், நிலையான செயல்திறனைத் தக்கவைத்தபடி சுமார் 40% அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியை வழங்குவதாகப் பல்கலைக்கழகம் கூறும் சிலிக்கான்-ஜெல் மின்கல அமைப்பை உருவாக்கியுள்ளனர். 2024 பிப்ரவரி 2 அன்று அறிவிக்கப்பட்ட இந்த ஆய்வில், 5 மைக்ரோமீட்டர் அளவுள்ள சிலிக்கான் துகள்களும் எலக்ட்ரான் கற்றையும் பயன்படுத்தப்பட்டன. பொருள் மீண்டும் மீண்டும் வீங்கி சுருங்குவதை மின்கலம் தாங்க இவை உதவுகின்றன.

ஒருமுறை மின்னேற்றினால் 1,000 கிலோமீட்டர் பயணிக்கும் மின்சார வாகனங்களை உருவாக்குவதற்கு இந்த ஆய்வு உதவும் என நோக்கம்கொண்டுள்ளது. இந்தத் தூரத்தை ஆய்வு இலக்காகவே POSTECH குறிப்பிடுகிறது. மின்கல அமைப்பின் முடிவுகளைப் பல்கலைக்கழகத்தின் அறிவிப்பு விவரிக்கிறது; வாகனச் சோதனை, வணிக அறிமுகத் தேதி, விலை ஆகியவை இன்னும் குறிப்பிடப்படவில்லை.

POSTECH வேதியியல் துறையைச் சேர்ந்த பேராசிரியர் சூஜின் பார்க், முனைவர் பட்ட ஆய்வாளர் மின்ஜுன் ஜே, முனைவர் ஹே பின் சோன் ஆகியோர் இந்த அணுகுமுறையை உருவாக்கினர். இவர்களின் ஆய்வு 2024 ஜனவரி 17 அன்று Advanced Science இதழில் இணையத்தில் வெளியானது. அதன்பின் பல்கலைக்கழகம் தனது ஆய்வு அறிவிப்பை வெளியிட்டது.

அதிகச் சேமிப்புத் திறனுள்ள ஒரு பொருளைப் பயன்படுத்துவதை எளிதாக்குவதே இதன் மையக் கருத்து. மின்கல நேர்முனைகளில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் கிராஃபைட்டை விட சிலிக்கான் அதிக லித்தியத்தைத் தேக்கி வைக்க முடியும். ஆனால், மின்னேற்றத்தின்போது அதன் அளவு பெரிதும் மாறுகிறது. சிலிக்கான் துகள்களை வேதிப்பிணைப்புகள் மூலம் மீள்தன்மையுள்ள ஜெலுடன் இணைத்து, இந்த நகர்வைச் சமாளிக்கும் வகையில் கட்டமைப்பை POSTECH குழு உருவாக்கியது.

ஓட்டுநர்களுக்கு இதன் பயன் நேரடியானது: மின்கலத்தில் அதிக ஆற்றலைச் சேமித்தால், மின்னேற்ற இடைநிறுத்தங்களுக்கு இடையிலான பயணத் தூரத்தை அதிகரிக்கலாம். ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த விலையுள்ள சிலிக்கான் துகள்களை நிலையான செயல்பாட்டைப் பாதிக்காமல் எப்படிப் பயன்படுத்துவது என்ற மற்றொரு சிக்கலுக்கும் இந்த ஆய்வு மின்கலத் தயாரிப்பாளர்களுக்கு வழிகாட்டுகிறது.

சிலிக்கானைப் பயன்படுத்துவது ஏன் கடினம்?

சிலிக்கானின் சேமிப்புத் திறன் ஒரு இயந்திரவியல் சிக்கலுடன் வருகிறது. மின்னேற்றத்தின்போது இந்தப் பொருள் அதன் தொடக்க அளவைவிட மூன்று மடங்குக்கும் அதிகமாக விரிவடைகிறது; மின்கலம் வெளியேற்றப்படும்போது மீண்டும் சுருங்குகிறது என POSTECH கூறுகிறது. இந்த நகர்வு மீண்டும் மீண்டும் நிகழ்வதால் மின்முனையிலும் அதைச் சுற்றியுள்ள பொருட்களிலும் அழுத்தம் ஏற்படுகிறது.

மின்முனை என்பது மின்கலத்தின் இரு மின்முனைகளில் ஒன்று. மின்னேற்றத்தின்போது லித்தியம் அயனிகள் மின்பகுளி வழியாகச் சென்று நேர்முனைக்குள் நுழையும்; அங்கே ஆற்றல் சேமிக்கப்படுகிறது. மின்கலத்தைப் பயன்படுத்தும்போது இந்தச் செயல்முறை எதிர்திசையில் நடைபெறும். மின்பகுளி அயனிகள் நகர அனுமதிக்க வேண்டும்; அதே நேரத்தில், மின்முனைக் கட்டமைப்பு மீண்டும் மீண்டும் நிகழும் மின்னேற்றச் சுழற்சிகளிலும் செயல்பட வேண்டும்.

அழுத்தத்தைக் கட்டுப்படுத்த ஆய்வாளர்கள் மிகச் சிறிய சிலிக்கான் துகள்களைப் பயன்படுத்தி வந்துள்ளனர். நானோ அளவிலான சிலிக்கானைத் தயாரிப்பது சிக்கலானதும் செலவு அதிகமானதும் என POSTECH குறிப்பிடுகிறது. மைக்ரோ அளவிலான பெரிய துகள்கள் உற்பத்திச் செலவு மற்றும் ஆற்றல் அடர்த்தியில் சாதகங்களை வழங்குகின்றன; ஆனால் அவற்றின் விரிவாக்கத்தைச் சமாளிப்பது கடினம்.

POSTECH ஆய்வில் பயன்படுத்தப்பட்ட துகள்கள் 5 மைக்ரோமீட்டர், அதாவது ஒரு மீட்டரில் ஐந்து மில்லியனில் ஒரு பங்கு அளவுடையவை. நானோ அளவிலான வழக்கமான சிலிக்கான் நேர்முனைகளில் பயன்படுத்தப்படும் துகள்களை விட இவை சுமார் 100 மடங்கு பெரியவை எனப் பல்கலைக்கழகம் கூறுகிறது. ஆய்வு குறித்த தொடக்க விளக்கத்தில் கூறப்பட்ட 1,000 மடங்கு என்பதற்குப் பதிலாக, அதிகாரப்பூர்வ அறிவிப்பில் தரப்பட்டுள்ள குறிப்பிட்ட ஒப்பீடு இதுவே. ஒரு மைக்ரோமீட்டர் என்பது ஒரு நானோமீட்டரின் நீளத்தைவிட 1,000 மடங்கு அதிகம்.

ஜெல்லும் எலக்ட்ரான் கற்றையும் எப்படிச் செயல்படுகின்றன?

பெரிய சிலிக்கான் துகள்களுடன் ஜெல் பாலிமர் மின்பகுளியையும் POSTECH குழு இணைத்தது. பாலிமர் என்பது நீண்ட மூலக்கூறுத் தொடர்களால் ஆன ஒரு பொருள். இந்த மின்கலத்தில், அதன் மீள்தன்மையுள்ள கட்டமைப்பு லித்தியம் அயனிகள் நகர அனுமதித்தபடியே சிலிக்கானின் அளவு மாறுவதற்கு ஏற்ப மின்பகுளி செயல்பட உதவுகிறது.

பின்னர் சிலிக்கான் துகள்களுக்கும் ஜெல்லுக்கும் இடையே சகப்பிணைப்புகளை உருவாக்க எலக்ட்ரான் கற்றையை ஆய்வாளர்கள் பயன்படுத்தினர். அணுக்கள் எலக்ட்ரான்களைப் பகிர்ந்துகொள்ளும்போது உருவாகும் வேதியியல் இணைப்புகளே சகப்பிணைப்புகள். சிலிக்கான் விரிவடைந்து சுருங்கும்போது உருவாகும் உள் அழுத்தத்தைப் பரவலாகப் பகிர இந்த இணைப்புகள் உதவுகின்றன.

இந்த அணுகுமுறை சிலிக்கானையும் அதைச் சுற்றியுள்ள மின்பகுளியையும் ஒருங்கிணைந்த கட்டமைப்பாகக் கருதுகிறது. சிறிய துகள்களை மட்டும் நம்பாமல், துகள்கள் தம்மைச் சுற்றியுள்ள பொருளுடன் இணையும் விதத்தை ஆய்வாளர்கள் மாற்றினர். இந்த இணைப்புகளும் நகர்வை ஏற்றுக்கொள்ளும் ஜெல்லின் திறனும் கட்டமைப்பின் நிலைத்தன்மைக்குக் காரணம் என POSTECH கூறுகிறது.

குழுவுக்குத் தலைமை தாங்கிய POSTECH வேதியியல் பேராசிரியர் பார்க், சிலிக்கானின் சேமிப்புத் திறனை நடைமுறையில் பயன்படுத்துவதற்கான முன்னேற்றம் இது எனக் கூறினார்:

மைக்ரோ சிலிக்கான் நேர்முனையைப் பயன்படுத்தினோம்; இருந்தும் நிலையான மின்கலத்தை உருவாக்கினோம். அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியுள்ள உண்மையான லித்தியம்-அயன் மின்கல அமைப்பை உருவாக்குவதற்கு இந்த ஆய்வு நம்மை மேலும் நெருக்கமாகக் கொண்டுசெல்கிறது.

திரவ மின்பகுளியைப் பயன்படுத்தும் வழக்கமான மின்கலங்களுக்கு இணையான அயனி கடத்துத்திறன் ஜெல் அமைப்பில் இருந்ததாகவும் பல்கலைக்கழகம் தெரிவிக்கிறது. ஒரு பொருளில் மின்னூட்டம் கொண்ட துகள்கள் எவ்வளவு எளிதாக நகர்கின்றன என்பதையே அயனி கடத்துத்திறன் குறிக்கிறது. மின்கலம் மின்னேற்றம் பெறும்போதும் மின்சாரம் வழங்கும்போதும் அயனிகளின் ஓட்டத்தை மின்பகுளி ஆதரிக்க வேண்டும் என்பதால், இந்த நகர்வுத் திறனைப் பேணுவது முக்கியம்.

40% அதிகரிப்பு பயணத் தூரத்திற்கு எதைக் குறிக்கிறது?

தனது சிலிக்கான்-ஜெல் மின்பகுளி அமைப்பில் ஆற்றல் அடர்த்தி சுமார் 40% அதிகரித்துள்ளதாக POSTECH தெரிவிக்கிறது. ஒரு மின்கலம் அதன் நிறை அல்லது கன அளவுடன் ஒப்பிடும்போது எவ்வளவு ஆற்றலைச் சேமிக்கிறது என்பதையே ஆற்றல் அடர்த்தி குறிக்கிறது. மின்கலத்தை அதற்கேற்ப அதிக எடையாக்காமலும் பெரிதாக்காமலும் கூடுதல் ஆற்றலை எடுத்துச் செல்லும் வழிகளில் இதை அதிகரிப்பதும் ஒன்று.

மின்சார வாகனங்களின் பயணத் தூரத்துக்கு சுமார் 700 கிலோமீட்டரை ஓர் ஒப்பீட்டு அளவாகவும், ஆய்வாளர்கள் இலக்காகக் கொண்டிருப்பது 1,000 கிலோமீட்டர் என்றும் பல்கலைக்கழக அறிவிப்பு குறிப்பிடுகிறது. 700 இலிருந்து 1,000 கிலோமீட்டருக்குச் செல்வது 300 கிலோமீட்டர் கூடுதலாகும்; இது சுமார் 43% அதிகரிப்பு.

40% ஆற்றல் அடர்த்தி அதிகரிப்பின் ஈர்ப்பை இந்த எண்கள் விளக்குகின்றன. எளிய எடுத்துக்காட்டாக, 700 கிலோமீட்டரை 40% அதிகரித்தால் 980 கிலோமீட்டர் கிடைக்கும்; இது கூறப்பட்டுள்ள இலக்குக்கு அருகிலுள்ளது. வாகனம் அதே விகிதத்தில் ஆற்றலைப் பயன்படுத்தும் என்றும், மின்கலத்தில் பயன்படுத்தக்கூடிய ஆற்றல் அதே விகிதத்தில் உயரும் என்றும் இந்தக் கணக்கீடு கருதுகிறது.

வாகனத்தின் உண்மையான பயணத் தூரம் அதன் எடை, செயல்திறன், வேகம், வெப்பநிலை, மின்கலத் தொகுப்பின் வடிவமைப்பு ஆகியவற்றையும் சார்ந்துள்ளது. பொருளின் சேமிப்புத் திறன் நன்மையை முழுமையான மின்கலத்திலும், பின்னர் வாகனத்திலும் பயன்படுத்தக்கூடியதாக மாற்றுவதே நடைமுறைச் சவால். நிலையான செயல்பாடு, பெரிய சிலிக்கான் துகள்கள், ஒப்பிடத்தக்க அயனி கடத்துத்திறன் ஆகியவற்றை இணைத்துள்ள POSTECH-இன் முடிவு இந்தச் சவாலின் பல அம்சங்களை ஒரே நேரத்தில் அணுகுகிறது.

சிலிக்கானின் பாதுகாப்பு அடுக்கை ஆராயும் மற்றொரு ஆய்வு

ஆய் மின் லி, சுன்ஷெங் வாங் உள்ளிட்ட ஆசிரியர்களைக் கொண்ட மற்றொரு ஆய்வுக் குழு, 2024 பிப்ரவரி 8 அன்று Nature Communications ஆய்வை வெளியிட்டது. இந்த ஆய்விலும் 5 மைக்ரோமீட்டர் அளவுள்ள சிலிக்கான் துகள்கள் பயன்படுத்தப்பட்டன. ஆனால், சிலிக்கானின் நகர்வைத் தாங்கும் பாதுகாப்பு மேற்பரப்பு அடுக்கை உருவாக்கும் திரவ மின்பகுளி என்ற வேறு தீர்வை அது முன்வைத்தது.

திட மின்பகுளி இடைமுகம் (SEI) சேதமடைவதே மின்திறன் இழப்புக்கான முக்கிய காரணம் என அந்த ஆய்வுக் கட்டுரை விளக்குகிறது. இது நேர்முனையில் உருவாகும் மெல்லிய பாதுகாப்பு அடுக்கு. அந்த அடுக்கு விரிசல் அடையும்போது, திரவ மின்பகுளி சேதமடைந்த சிலிக்கான் துகள்களுக்குள் புகுந்து மீண்டும் வினைபுரியலாம். இதனால் புதிய அடுக்குகள் உருவாகி, மின் தொடர்பு பாதிக்கப்படும்.

ஃபுளூரோஎத்திலீன் கார்பனேட், சல்ஃபோலேன், TTE எனப்படும் ஃபுளூரினேற்றப்பட்ட ஈதர் ஆகியவற்றைக் கொண்ட மின்பகுளியை லி மற்றும் சக ஆய்வாளர்கள் வடிவமைத்தனர். இவர்களின் கலவை 4.3 வோல்ட்டில் இயங்கும் மின்கலங்களை ஆதரிப்பதுடன், லித்தியம் ஃபுளூரைடு மற்றும் லித்தியம் ஆக்சைடு அதிகமுள்ள பாதுகாப்பு அடுக்கையும் உருவாக்குகிறது.

இந்த அடுக்கு சிலிக்கானை விலக்கும் தன்மை கொண்டது என ஆசிரியர்கள் விவரிக்கின்றனர். அதாவது, இதன் கீழுள்ள லித்தியம் மற்றும் சிலிக்கான் பொருளுடன் இது வலுவாகப் பிணைவதில்லை. அந்தத் தளர்வான இணைப்பு, பாதுகாப்பு ஓட்டின் மீது குறைந்த அழுத்தத்துடன் சிலிக்கான் அதற்குள் விரிவடைந்து சுருங்க அனுமதிக்கிறது. இதற்கு மாறாக, சிலிக்கானுக்கும் மீள்தன்மையுள்ள ஜெல்லுக்கும் இடையிலான வலுவான வேதியியல் இணைப்புகளைப் பயன்படுத்தி அழுத்தத்தைப் பரவலாகப் பகிர்வதே POSTECH அணுகுமுறை.

எனவே, இரண்டு ஆய்வுகளும் ஒரே நகர்வுச் சிக்கலை வெவ்வேறு எல்லைகளில் அணுகுகின்றன. ஒன்று சிலிக்கானை நெகிழ்வான சுற்றமைப்புடன் இணைக்கிறது; மற்றொன்று குறைவாகப் பிணையும் பாதுகாப்பு அடுக்குக்குள் சிலிக்கான் நகர அனுமதிக்கிறது.

இரண்டாவது குழுவின் சோதனைகள் அளந்தவை

Nature Communications ஆய்வின்படி, அதன் சிலிக்கான் நேர்முனைகள் 250 சுழற்சிகளுக்கும் மேலாக ஒரு கிராமுக்கு 2,175 மில்லியாம்பியர்-மணி மின்திறனை வழங்கின; கூலாம்ப் செயல்திறன் 99.8% ஆக இருந்தது. ஒரு கிராம் பொருள் எவ்வளவு மின்னூட்டத்தைச் சேமிக்க முடியும் என்பதையே ஒரு கிராமுக்கான மின்திறன் குறிக்கிறது. மின்னேற்றம் மற்றும் மின்வெளியேற்றம் ஆகியவற்றின் ஒரு சுற்றே ஒரு சுழற்சி.

மின்வெளியேற்றத்தின்போது எடுக்கப்படும் மின்னூட்டத்தையும், மின்னேற்றத்தின்போது செலுத்தப்படும் மின்னூட்டத்தையும் ஒப்பிடுவதே கூலாம்ப் செயல்திறன். 99.8% என்றால், அளவிடப்பட்ட ஒவ்வொரு சுழற்சியிலும் வேறுபாடு சுமார் 0.2% ஆகும். மீண்டும் மீண்டும் நிகழும் தேவையற்ற வினைகள் காலப்போக்கில் மின்னூட்டத்தையும் பொருட்களையும் பயன்படுத்திவிடும் என்பதால், இந்த வேறுபாட்டைக் குறைவாக வைத்திருப்பது முக்கியம்.

பெயரளவு மின்திறன் 100 மில்லியாம்பியர்-மணி கொண்ட பைச் செல் ஒன்றையும் அந்தக் குழு சோதித்தது. அது 120 சுழற்சிகளுக்கு, நேர்மின்மப் பொருளின் ஒரு கிராமுக்கு 172 மில்லியாம்பியர்-மணி மின்திறனை வழங்கியது; கூலாம்ப் செயல்திறன் 99.9%-க்கும் அதிகமாக இருந்தது. பைச் செல்லில் மின்கலக் கூறுகள் நெகிழ்வான உறைக்குள் அடைக்கப்பட்டிருக்கும்.

திரவ மின்பகுளி வடிவமைப்புக்கான மின்முனை மின்திறன், செயல்திறன், சுழற்சிச் செயல்பாடு ஆகியவற்றை இந்த அளவீடுகள் விவரிக்கின்றன. ஜெல் அமைப்பின் மூலம் ஆற்றல் அடர்த்தி சுமார் 40% அதிகரித்ததாக POSTECH-இன் முக்கிய முடிவு தெரிவிக்கிறது. லித்தியம்-அயன் மின்கலங்களில் பெரிய சிலிக்கான் துகள்களைப் பயன்படுத்துவதற்கான நோக்கில், ஒவ்வோர் ஆய்வும் வெவ்வேறு அளவீடுகளை வழங்குகிறது.

ஆய்விலிருந்து உற்பத்திவரை

தனது உற்பத்திச் செயல்முறை எளிமையானது; பயன்பாட்டுக்குத் தயாரானது என POSTECH விவரிக்கிறது. நானோ அளவிலான துகள்களைத் தயாரிப்பதில் உள்ள செலவு மற்றும் சிக்கலைத் தவிர்க்க பெரிய சிலிக்கான் துகள்கள் உதவுகின்றன; ஒருங்கிணைந்த கட்டமைப்புக்குத் தேவையான பிணைப்புகளை எலக்ட்ரான் கற்றை உருவாக்குகிறது.

கொரியாவின் தேசிய ஆராய்ச்சி அறக்கட்டளையின் சுயாதீன ஆய்வாளர் திட்டத்தின் ஆதரவு கிடைத்ததாகப் பல்கலைக்கழக அறிவிப்பு குறிப்பிடுகிறது. சிலிக்கான் விரிவடையும் சிக்கலைத் தீர்க்க அதே காலகட்டத்தில் மேற்கொள்ளப்பட்ட மற்றொரு முயற்சியுடன் இந்த முடிவின் வெளியீட்டு வரிசை அமைந்துள்ளது:

• 2024 ஜனவரி 17: POSTECH குழுவின் ஆய்வு Advanced Science இதழில் இணையத்தில் வெளியானது.
• 2024 பிப்ரவரி 2: சிலிக்கான்-ஜெல் மின்பகுளி முடிவுகளையும், வாகனத்தின் பயணத் தூரத்தை 1,000 கிலோமீட்டராக உயர்த்தும் நோக்கத்தையும் POSTECH அறிவித்தது.
• 2024 பிப்ரவரி 8: 5 மைக்ரோமீட்டர் சிலிக்கான் துகள்களுக்கான திரவ மின்பகுளியை ஆய்வு செய்த தனி ஆய்வை Nature Communications வெளியிட்டது.

இரு திட்டங்களிலும் பொதுவான நடைமுறை ஈர்ப்பு இதுதான்: சிலிக்கான் எளிதில் கிடைக்கக்கூடியது; அதிகச் சேமிப்புத் திறனையும் வழங்குகிறது. பெரிய துகள்கள் உற்பத்திச் சிக்கல்களைக் குறைக்கலாம். மீண்டும் மீண்டும் பயன்படுத்தும்போதும் பயனுள்ள மின்திறனைத் தக்கவைக்கும் மின்கலங்களாக இந்த நன்மைகளை மாற்ற, சிலிக்கானின் நகர்வைச் சுற்றியுள்ள பொருட்கள் தாங்குவது முக்கியம்.

முக்கிய குறிப்புகள்

• ஒருங்கிணைந்த சிலிக்கான்-ஜெல் மின்பகுளி மின்கல அமைப்பில் ஆற்றல் அடர்த்தி சுமார் 40% அதிகரித்துள்ளதாக POSTECH தெரிவிக்கிறது.
• சிலிக்கான் விரிவடைந்து சுருங்கும்போது ஏற்படும் அழுத்தத்தைப் பரவலாகப் பகிர உதவும் வேதியியல் பிணைப்புகளை உருவாக்க ஆய்வாளர்கள் எலக்ட்ரான் கற்றையைப் பயன்படுத்தினர்.
• நிலையான அமைப்பில் 5 மைக்ரோமீட்டர் அளவுள்ள துகள்கள் பயன்படுத்தப்பட்டன; வழக்கமான சிலிக்கான் நானோதுகள்களை விட இவை 100 மடங்கு பெரியவை என POSTECH கூறுகிறது.
• 1,000 கிலோமீட்டர் வாகனப் பயணத் தூரம் ஆய்வின் இலக்கு; அறிவிப்பு மின்கல மேம்பாட்டை மையமாகக் கொண்டுள்ளது.
• தனியான Nature Communications ஆய்வு, திரவ மின்பகுளி மற்றும் பாதுகாப்பு மேற்பரப்பு அடுக்கைப் பயன்படுத்தி, 250 சுழற்சிகளுக்கும் மேலான சிலிக்கான் நேர்முனைச் செயல்திறனைப் பதிவு செய்தது.