कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके बैटरी प्रदर्शन माप

रिले बैरियर एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है जिसका अच्छी तरह से अध्ययन नहीं किया गया है जो बैटरी के प्रदर्शन को निर्धारित करता है। यह उस दर को निर्धारित करता है जिस पर आयन बैटरी के अंदर इलेक्ट्रोड के माध्यम से आगे बढ़ते हैं, और अंततः चार्ज या डिस्चार्ज की दर निर्धारित करते हैं। चूंकि प्रवासन बाधा को प्रयोगशाला में मापना मुश्किल होता है, इसलिए शोधकर्ता आमतौर पर विभिन्न कंप्यूटर सिमुलेशन या अनुमानों का उपयोग करते हैं ताकि प्रवासन बाधा मूल्यों का शीघ्रता से अनुमान लगाया जा सके। हालाँकि, इनमें से बहुत कम सिमुलेशन को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया है।

एक नए अध्ययन में, भारतीय विज्ञान संस्थान (आईआईएससी) के शोधकर्ता और उनके सहयोगी व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली कम्प्यूटेशनल तकनीकों का विश्लेषण करते हैं और प्रयोगशाला माप में देखे गए वास्तविक डेटा के खिलाफ प्रवासन बाधा मूल्यों की उनकी भविष्यवाणियों को सत्यापित करते हैं। उनके विश्लेषण के आधार पर, टीम शोधकर्ताओं को परीक्षण सामग्री के लिए सबसे सटीक कम्प्यूटेशनल ढांचा चुनने में मदद करने के लिए मजबूत दिशानिर्देशों का एक सेट प्रस्तावित करती है जिसका उपयोग भविष्य में उच्च दक्षता वाली बैटरी विकसित करने के लिए किया जा सकता है।

लिथियम-आयन बैटरी, जो सेल फोन और लैपटॉप कंप्यूटर को पावर देती हैं, उनमें तीन मुख्य घटक होते हैं: एक ठोस नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड), एक ठोस एनोड (कैथोड), और या तो एक तरल या ठोस इलेक्ट्रोलाइट उन्हें अलग करता है। चार्जिंग या डिस्चार्जिंग के दौरान, लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से पलायन करते हैं, जिससे वोल्टेज अंतर पैदा होता है। “लिथियम-आयन बैटरी में इलेक्ट्रोड 100% ठोस नहीं होते हैं। उन्हें स्पंज की तरह समझें। आईआईएससी के मैटेरियल्स इंजीनियरिंग विभाग में एसोसिएट प्रोफेसर साई गौतम गोपालकृष्णन बताते हैं कि उनके पास “छिद्र” होते हैं जिनसे लिथियम आयन गुजरना चाहिए .

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एक महत्वपूर्ण कारक जो उस दर को निर्धारित करता है जिस पर लिथियम आयन इन छिद्रों में प्रवेश करते हैं, वह है प्रवासन बाधा – इलेक्ट्रोड को पारित करने के लिए आयनों को दूर करने के लिए ऊर्जा सीमा। “रिले बैरियर जितना कम होगा, बैटरी उतनी ही तेज़ी से चार्ज या डिस्चार्ज हो सकती है,” रेशमा देवी, पीएच.डी. सामग्री इंजीनियरिंग विभाग में छात्र।

गोपालकृष्णन बताते हैं, “एक ही माइग्रेशन बैरियर वैल्यू की गणना एक समूह द्वारा एक कम्प्यूटेशनल तकनीक और दूसरे समूह द्वारा दूसरी तकनीक का उपयोग करके की जाती है। मान समकक्ष हो सकते हैं, लेकिन हम निश्चित रूप से नहीं जान सकते हैं।”

दो विशिष्ट सन्निकटन, जिन्हें गंभीर रूप से विवश और मानकीकृत सन्निकटन (SCAN) और सामान्यीकृत ढाल सन्निकटन (GGA) कहा जाता है, कम्प्यूटेशनल रूप से माइग्रेशन बैरियर पर पहुंचने के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधियाँ हैं, लेकिन उनमें से प्रत्येक की अपनी कमियाँ हैं। “हमने नौ अलग-अलग सामग्री ली,” रेशमा देवी बताती हैं। “हमने प्रत्येक के लिए प्रयोगात्मक मूल्यों के निकटतम सन्निकटन को सत्यापित किया है।”

टीम ने पाया कि स्कैन फ़ंक्शन में सामान्य रूप से बेहतर संख्यात्मक सटीकता थी, लेकिन GGA गणना तेज थी। लेखकों का सुझाव है कि जीजीए में कुछ सामग्रियों (जैसे लिथियम फॉस्फेट) में प्रवासन बाधा की गणना में सटीकता का एक उचित स्तर है, और यदि तेजी से अनुमान की आवश्यकता है तो यह एक बेहतर विकल्प हो सकता है।

गोपालकृष्णन कहते हैं कि इस तरह की अंतर्दृष्टि वैज्ञानिकों के लिए मूल्यवान हो सकती है, जो बैटरी से संबंधित अनुप्रयोगों के लिए उन्हें अनुकूलित करने से पहले उनके प्रदर्शन के लिए नई सामग्री का परीक्षण करना चाहते हैं। “मान लीजिए कि आपके पास एक अज्ञात पदार्थ है और यदि आप जल्दी से यह पता लगाना चाहते हैं कि क्या यह पदार्थ आपके मामलों में उपयोगी है” प्रार्थना, तो आप ऐसा करने के लिए गणनाओं का उपयोग कर सकते हैं, बशर्ते आप अंकगणितीय पूर्णांकन जानते हों जो आपको निकटतम मान प्रदान करता हो। जब भौतिक खोज की बात आती है तो यह उपयोगी होता है।”

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टीम मशीन लर्निंग टूल्स विकसित करने पर भी काम कर रही है जो विभिन्न विषयों के लिए माइग्रेशन बाधाओं की भविष्यवाणी को तेज करने में मदद कर सकते हैं।

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