एनोड-फ़्री सोडियम सॉलिड-स्टेट बैटरियां ‘लिथियम त्रिकोण’ पर निर्भरता को कम कर सकती हैं

बैटरी बनाने के कई तरीके

Battery makers are constantly innovating in a race to make the best technology.  In recent years, this has been driven by the incentive to capture the ever-growing EV market and the nascent but even quicker-growing utility-scale battery market.

लिथियम-आयन तकनीक पर आधारित बैटरियों के बाद, अब बैटरियां इस डिज़ाइन से आगे देख रही हैं ताकि लिथियम-आयन की समस्याओं को हल किया जा सके: बहुत महंगी, दुर्लभ धातुओं का उपयोग, आग का जोखिम आदि।

स्रोत: Research Gate

ऐसे विकल्पों में से एक सोडियम-आयन है, जो लिथियम के बजाय सोडियम का उपयोग करता है, लेकिन कम ऊर्जा घनत्व की कीमत पर।

एक और विकल्प सॉलिड-स्टेट बैटरियां हैं। इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता को हटाकर, ये अधिक घनी हो सकती हैं और इसलिए समान EV प्रदर्शन के लिए कम मात्रा में आवश्यक होती हैं। सॉलिड-स्टेट बैटरियों को चार्ज करने में भी बहुत तेज़ होना चाहिए।

अन्य अधिक साहसी दृष्टिकोण केवल रसायन विज्ञान नहीं बदलते बल्कि बैटरी की संरचना को ही बदलते हैं। विशेष रूप से, एनोड-फ़्री बैटरियां बैटरी के एक हिस्से को पूरी तरह हटा देती हैं।

शोधकर्ता अब इन दृष्टिकोणों को मिलाने की कोशिश कर रहे हैं, विशेष रूप से हाल ही में प्रकाशित विश्व की पहली एनोड-फ़्री सोडियम सॉलिड-स्टेट बैटरी के डिज़ाइन के साथ।

एनोड-फ़्री सोडियम सॉलिड-स्टेट बैटरी

प्रकाशित in Nature Energy under the title ”Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery“, the researchers from the University of California and University of Chicago have not only created a solid-state battery, but one using sodium instead of lithium, and without even an anode.

सोडियम बैटरी

Sodium is a very abundant ion, virtually in unlimited amounts in the ocean, 1,000x more abundant on Earth’s crust than lithium. This makes it a very good alternative to lithium.

It is important because lithium is hitting several limitations due to the EV boom:

• यह बहुत महंगा है, जिससे इलेक्ट्रिफिकेशन स्वयं बहुत महंगा हो जाता है।
• इसके निष्कर्षण से पर्यावरण को नुकसान पहुंचता है।
• यह दुनिया में कुछ ही स्थानों पर उत्पादित होता है और अधिकांशतः चीन में शुद्ध किया जाता है, जिससे भू-राजनीतिक जोखिम उत्पन्न होते हैं।

Because it is so omnipresent and abundant, it is very unlikely that sodium will ever experience the price instability and shortage that lithium experienced in the last years.

The issue is that sodium batteries are usually not really dense enough to compete with lithium-based batteries, except for low-price EV models.

एनोड-फ़्री बैटरी

Normally, a battery has an anode that stores the ions while the battery is charging. They then flow back toward the cathode when the battery is releasing its energy.

एनोड-फ़्री बैटरियां इसके बजाय आयनों को अल्कली धातु की इलेक्ट्रोकेमिकल जमा के रूप में सीधे करंट कलेक्टर पर संग्रहीत करती हैं।

यह उच्च सेल वोल्टेज, कम सेल लागत, और बढ़ी हुई ऊर्जा घनत्व की अनुमति देता है।

स्रोत: University Of Chicago

The issue with an anode-free design is that the current collector tends to see a deposit build-up from the liquid electrolyte, leading to damaging the battery.

सॉलिड-स्टेट बैटरी

Solid-state batteries have long been expected to be the “final” form of battery-based energy storage, especially for applications requiring very high-density mobility.

इलेक्ट्रोलाइट को हटाने से कुल बैटरि वजन कम हो जाता है और बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज करने में बहुत तेज़ बनाता है।

इन डिज़ाइनों में समस्या आमतौर पर यह होती है कि एक पर्याप्त ठोस प्रणाली बनाए रखना, क्योंकि धातुएँ चार्जिंग के दौरान फूलने की प्रवृत्ति रखती हैं।

इसके अतिरिक्त, डेंड्राइट्स के बढ़ने की समस्या, जो शॉर्ट सर्किट (और इसलिए आग) पैदा कर सकते हैं, हमेशा पृष्ठभूमि में बनी रहती है, जैसे लिथियम-आयन बैटरियों में।

एनोड-फ़्री सोडियम सॉलिड स्टेट

In the context of an anode-free design, an additional issue is that a classical solid electrolyte cannot properly interact with the current collector.

The researchers solved this issue by using aluminum powder as a current collector, which is a solid that can flow like a liquid.

स्रोत: University Of Chicago

कई लाभ

By being solid, the aluminum electrolyte also prevents the formation of dendrites, the main cause of too short lifespan of solid-state batteries.

यह एक स्थिर इंटरफ़ेस भी प्रदान करता है और कुछ सोडियम को करंट से असंगत होने से बचाता है, जो बैटरी क्षमता को कम कर सकता था।

अंत में, यह उच्च ऊर्जा घनत्व की अनुमति देता है, जहाँ इस सोडियम-सॉलिड-स्टेट बैटरी के विभिन्न विकल्प 200-400 Wh/kg घनत्व की सीमा में आते हैं।

स्रोत: University Of Chicago

While this is a bit lower than lithium-based solid-state batteries, it is still a lot stronger than currently used batteries. Combined with the economics of much cheaper materials, with sodium and aluminum replacing lithium, cobalt, and nickel, it could be a winning combination.

संयोजन की शक्ति

Even a few years ago, the idea of sodium batteries, or anode-free batteries, was only a concept that many doubted would reach a commercial stage. The same can be said for solid-state batteries.

This is quickly changing for every one of these categories, as well as plenty of other potential chemistries and designs we explored in our articles “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” and “The Future Of Mobility – Battery Tech”.

It seems we are entering a new stage, where researchers are now looking at all these now-proven battery concepts and starting to merge them together.

Surprisingly, it might help overcome the individual limitations of each idea.

In this example, both solid-state batteries’ dendrite issues and anode-free design’s issue of deposit on the current collector get solved by using aluminum powder.

Aluminum powder alone on an anode-free design would still yield too low density.

Aluminum powder in solid-state batteries would not be cheap enough without using sodium.

Meanwhile, sodium alone is cheap but not dense enough to meet the requirement for mobility.

So it seems that combining different design elements can help bring together their respective advantages while also removing or at least attenuating their individual issues, creating a much larger set of future opportunities for innovative battery chemistries than previously thought.

सोडियम बैटरी कंपनियां

1. CATL

CATL बैटरी निर्माण में वैश्विक नेता है, जो वैश्विक बैटरी मात्रा का आधे से अधिक उत्पादन करता है। कंपनी बैटरी निर्माण आपूर्ति श्रृंखला के हर चरण में मौजूद है और बैटरी तकनीक में अग्रणी है।

This is true for lithium-ion batteries, where the company has been a long-established leader for a long time. CATL has also announced impressive progress on multiple other battery types :

• एक 12,000-साइकिल अल्ट्रा-लॉन्ग-लाइफ़ बैटरी यूटिलिटी-स्केल ऊर्जा भंडारण के लिए, दीर्घकालिक लक्ष्य के रूप में 18,000 साइकिल।
• एक 700km LFP (लिथियम फेरम फॉस्फेट) बैटरी जो 10 मिनट में 400km की रेंज चार्ज करती है।
• एक 500 Wh/kg, जो संभावित रूप से यात्री विमानों के इलेक्ट्रिफिकेशन को सक्षम कर सकता है।
• 160 Wh/kg सोडियम-आयन बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन, लक्ष्य 200 Wh/kg है।

स्रोत: CATL

The company is getting active in the utility-scale battery market, with the announcement of its TENER system performance. It is “the world’s first mass-producible energy storage system with zero degradation in the first five years of use in Beijing, China”.

Immense Energy in a Compact Space: 20-foot Container with 6.25 MWh Capacity

Powered by cutting-edge technologies and extreme manufacturing capabilities, CATL has resolved the challenges caused by highly active lithium metals in zero-degradation batteries, which effectively helps prevent thermal runaway caused by oxidation reactions.

CATL ने चीन में बैटरी रीसाइक्लिंग क्षमताओं में 3.25 बिलियन निवेश भी किया है।. CATL has notably achieved a remarkable recovery rate of 99.6% for nickel, cobalt, manganese, and 91% for lithium.

Thanks to its scale, focus, and R&D achievements, CATL is likely to be at the forefront of battery innovation, manufacturing, and recycling. This makes it a key partner for EV manufacturers, including Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.

2. BYD

A long-time challenger of Tesla in the EV market, BYD has become a serious competitor not only for Tesla but for virtually all automakers.

The company evolved from its origin as a phone battery supplier कंपनी अपने मूल फोन बैटरी सप्लायर से विकसित होकर चीन में टेस्ला के बराबर EV बेचने (दुनिया का सबसे बड़ा EV बाजार) और थाईलैंड, स्वीडन, ऑस्ट्रेलिया, न्यूज़ीलैंड, सिंगापुर, इज़राइल और ब्राज़ील में सबसे अधिक बिकने वाले EV बनने तक पहुंची है।

BYD is a large part of why China suddenly became the world’s largest car exporter in 2023, surpassing Japan. The company’s aggressive overseas expansion is also carried by new factories, जैसे हंगरी में.

And with the release of $10,000-$12,000 cars like the Seagul, using sodium batteries, a whole new market might open for BYD EVs.

स्रोत: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Still at its core, a battery manufacturer, BYD is a serious challenger to CATL in the LFP battery market, with a 41.1% market share in China (compared to CATL’s 33.9%).

The “flood” of cheap EVs produced by BYD into the European and American markets is likely to be met with some level of protectionism (even above the recently imposed tariffs), which could hinder BYD’s growth.

But at the same time, cheap Chinese EVs are already a great success in the rest of the world, which does not have incumbents much in the way of domestic automakers to protect, including the entirety of South America, Russia, Africa, the Middle East, and Southeast Asia.

This represents several billion potential customers for BYD, living in countries eager to strike a geopolitical balance and stay on good terms with both the West and China, so it is unlikely to create too strong protectionist barriers.

And even in the EU or the USA, BYD might stay competitive, thanks to the much higher prices of local EV manufacturers compared to prices in China, as well as localization of the production out of China for these markets, like, for example, in Eastern Europe, Mexico, or Turkey.