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

बैटरी बनाने के कई तरीके

बेहतर तकनीक विकसित करने के लिए बैटरी निर्माता लगातार नए प्रयोग कर रहे हैं। हाल के वर्षों में बढ़ता EV बाजार और तेजी से विकसित होता ग्रिड-स्तरीय ऊर्जा भंडारण बाजार इसके प्रमुख कारण रहे हैं।

लिथियम-आयन बैटरियों की लागत, कुछ कच्चे माल पर निर्भरता और आग जैसे जोखिमों को कम करने के लिए अलग रसायन और संरचनाएं विकसित की जा रही हैं।

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 अन्य विकल्प सॉलिड-स्टेट बैटरी है। इसमें इलेक्ट्रोलाइट हटाया नहीं जाता, बल्कि तरल की जगह ठोस इलेक्ट्रोलाइट इस्तेमाल होता है। कुछ डिजाइन अधिक ऊर्जा घनत्व और तेज चार्जिंग की संभावना देते हैं, लेकिन ये लाभ हर ठोस-अवस्था बैटरी में अपने आप नहीं मिलते।

कुछ तरीके रसायन के साथ बैटरी की संरचना भी बदलते हैं। एनोड-फ्री सेल बनाते समय अलग सक्रिय एनोड पदार्थ नहीं रखा जाता; चार्जिंग के दौरान धातु जमा होकर एनोड बनाती है।

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

Nature Energy में “एनोड-फ्री पूर्ण ठोस-अवस्था सोडियम बैटरी को संभव बनाने वाले डिजाइन सिद्धांत” शीर्षक से प्रकाशित अध्ययन में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय सैन डिएगो और शिकागो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने लिथियम की जगह सोडियम वाला सेल विकसित किया। इसमें निर्माण के समय अलग सक्रिय एनोड पदार्थ की जरूरत नहीं होती।

सोडियम बैटरी

सोडियम समुद्री जल और पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुर मात्रा में मिलता है। पपड़ी में इसकी मात्रा लिथियम से लगभग 1,000 गुना अधिक है। इसलिए कुछ बैटरी उपयोगों में यह एक विकल्प हो सकता है।

EV की मांग बढ़ने के साथ लिथियम से जुड़े मुद्दे महत्वपूर्ण हुए हैं:

• कीमत में उतार-चढ़ाव बैटरी लागत को प्रभावित कर सकता है।
• खनन और प्रसंस्करण का पर्यावरण पर असर होता है।
• उत्पादन और खासकर शोधन का कुछ देशों में केंद्रित होना आपूर्ति तथा भू-राजनीतिक जोखिम पैदा कर सकता है।

सोडियम की उपलब्धता कच्चे माल की कमी का दबाव घटा सकती है। फिर भी बैटरी-स्तरीय पदार्थों की कीमत और आपूर्ति केवल प्राकृतिक प्रचुरता से तय नहीं होती।

सोडियम-आयन बैटरियों का ऊर्जा घनत्व आम तौर पर लिथियम-आयन विकल्पों से कम है। इसलिए कम कीमत वाले वाहनों और स्थिर ऊर्जा भंडारण में इनकी विशेष रुचि है।

एनोड-फ़्री बैटरी

पारंपरिक सेल में चार्जिंग के समय आयन एनोड में जमा होते हैं। बैटरी से ऊर्जा लेते समय वे इलेक्ट्रोलाइट से होकर कैथोड की ओर लौटते हैं।

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

अलग एनोड पदार्थ हटाने से सेल की लागत घट सकती है और ऊर्जा घनत्व बढ़ सकता है। वोल्टेज इस्तेमाल किए गए इलेक्ट्रोड रसायन पर निर्भर करता है।

स्रोत: University Of Chicago

एनोड-फ्री डिजाइन में करंट कलेक्टर पर धातु का समान रूप से जमना और फिर वापस निकलना महत्वपूर्ण है। तरल इलेक्ट्रोलाइट के साथ होने वाली अतिरिक्त प्रतिक्रियाएं सक्रिय पदार्थ खर्च कर सकती हैं और सेल का जीवन घटा सकती हैं।

सॉलिड-स्टेट बैटरी

सॉलिड-स्टेट बैटरियों पर खासकर उच्च ऊर्जा घनत्व वाले परिवहन उपयोगों के लिए लंबे समय से शोध हो रहा है। फिर भी इन्हें सभी ऊर्जा भंडारण जरूरतों का अंतिम और एकमात्र समाधान नहीं मानना चाहिए।

तरल इलेक्ट्रोलाइट को ठोस पदार्थ से बदलने पर कुछ डिजाइन में सुरक्षा और ऊर्जा घनत्व सुधर सकते हैं। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की गति पदार्थों और उनके बीच संपर्क पर निर्भर करती है।

चार्जिंग के दौरान धातु के आयतन में बदलाव होने पर इलेक्ट्रोड और ठोस इलेक्ट्रोलाइट का अच्छा संपर्क बनाए रखना एक चुनौती है।

डेंड्राइट कहलाने वाली धातु की शाखाएं शॉर्ट सर्किट और सेल को नुकसान पहुंचा सकती हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट इस्तेमाल करने से यह जोखिम अपने आप पूरी तरह समाप्त नहीं होता।

एनोड-फ़्री सोडियम सॉलिड स्टेट

एनोड-फ्री ठोस-अवस्था सेल में करंट कलेक्टर और इलेक्ट्रोलाइट के बीच पर्याप्त संपर्क बनाना एक अतिरिक्त चुनौती है।

शोधकर्ताओं ने करंट कलेक्टर के लिए एल्युमिनियम पाउडर इस्तेमाल किया। यह ठोस कणों से बना होता है, लेकिन प्रसंस्करण के दौरान तरल जैसा बहकर संपर्क सतह के अनुरूप ढल सकता है।

स्रोत: University Of Chicago

कई लाभ

यहां एल्युमिनियम इलेक्ट्रोलाइट नहीं, करंट कलेक्टर है। डिजाइन सोडियम के अधिक समान जमाव और स्थिर संपर्क को बढ़ावा देता है, जिससे सेल का जीवन सीमित करने वाली कुछ समस्याएं कम हो सकती हैं।

अच्छा संपर्क ऐसे सोडियम के बनने को कम कर सकता है जो विद्युत रूप से अलग होकर उपयोग से बाहर हो जाए। इससे क्षमता बनाए रखने में मदद मिल सकती है।

अध्ययन में अलग सेल विन्यासों के लिए 200–400 Wh/kg ऊर्जा घनत्व की संभावना पर चर्चा की गई है। इसे आज की सभी व्यावसायिक सोडियम बैटरियों का सिद्ध प्रदर्शन नहीं समझना चाहिए।

स्रोत: University Of Chicago

कुछ लिथियम-धातु सॉलिड-स्टेट डिजाइन इससे अधिक ऊर्जा घनत्व दे सकते हैं, लेकिन यह सोडियम सेल के लिए उपयोगी लक्ष्य है। सोडियम और एल्युमिनियम की उपलब्धता लागत में मदद कर सकती है; वास्तविक लाभ पूरे सेल और निर्माण प्रक्रिया पर निर्भर होगा।

संयोजन की शक्ति

सोडियम-आयन, एनोड-फ्री और सॉलिड-स्टेट बैटरियों की व्यावसायिक परिपक्वता अलग-अलग है। सभी में प्रगति हुई है, लेकिन शोध प्रोटोटाइप और बड़े पैमाने पर बिक रहे उत्पादों को अलग समझना जरूरी है।

इन विकासों तथा अन्य बैटरी तकनीकों पर हमारे लेख “ऊर्जा भंडारण का भविष्य — ग्रिड-स्तरीय बैटरी तकनीक” और “परिवहन का भविष्य — बैटरी तकनीक”.

शोधकर्ता अलग-अलग अवधारणाओं को मिलाकर नए सेल डिजाइन जांच रहे हैं।

इससे प्रत्येक डिजाइन की कुछ सीमाओं को दूर करने में मदद मिल सकती है।

इस उदाहरण में एल्युमिनियम पाउडर वाला करंट कलेक्टर संपर्क और सोडियम जमाव संबंधी समस्याओं को कम करने के लिए इस्तेमाल किया गया है।

ऊर्जा घनत्व केवल एल्युमिनियम पाउडर से नहीं, कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट और पूरे सेल की संरचना से तय होता है।

लागत भी केवल सोडियम या एल्युमिनियम चुनने से तय नहीं होती; अन्य घटक और निर्माण प्रक्रियाएं महत्वपूर्ण हैं।

सोडियम का कम कच्चा-माल मूल्य लाभ है, जबकि कम ऊर्जा घनत्व खासकर लंबी दूरी वाले वाहनों के लिए सीमा हो सकता है।

अलग डिजाइन तत्वों को मिलाने से उनके लाभों का उपयोग और कुछ कमियों को कम करना संभव है। फिर भी व्यावहारिक प्रदर्शन और लागत का परीक्षण जरूरी है।

सोडियम बैटरी कंपनियां

1. CATL

CATL वैश्विक EV बैटरी बाजार के प्रमुख उत्पादकों में से एक है। कंपनी के अनुसार 2023 में उपयोग के आधार पर उसकी हिस्सेदारी 36.8% थी। इसका मतलब दुनिया की सभी बैटरियों का आधे से अधिक उत्पादन नहीं है। कंपनी आपूर्ति श्रृंखला के कई हिस्सों में काम करती है।

लिथियम-आयन के अलावा CATL ने अन्य बैटरी तकनीकों में भी विकास की घोषणाएं की हैं:

• एक 12,000-साइकिल अल्ट्रा-लॉन्ग-लाइफ़ बैटरी यूटिलिटी-स्केल ऊर्जा भंडारण के लिए, दीर्घकालिक लक्ष्य के रूप में 18,000 साइकिल।
• 700 किमी रेंज वाली LFP यानी लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरी, जिसके लिए कंपनी ने कुछ परिस्थितियों में दस मिनट में 400 किमी की रेंज जोड़ने का दावा किया।
• एक 500 Wh/kg, जो संभावित रूप से यात्री विमानों के इलेक्ट्रिफिकेशन को सक्षम कर सकता है।
• 160 Wh/kg सोडियम-आयन बैटरी; कंपनी का घोषित लक्ष्य 200 Wh/kg।

स्रोत: CATL

कंपनी ने ग्रिड-स्तरीय भंडारण के लिए TENER प्रणाली की घोषणा की। उसके अनुसार यह “बड़े पैमाने पर उत्पादन योग्य ऊर्जा भंडारण प्रणाली है, जिसमें पहले पांच वर्षों में क्षमता क्षय न होने का दावा किया गया है”.

कम जगह में अधिक ऊर्जा: 6.25 MWh क्षमता वाला 20 फुट कंटेनर

CATL का कहना है कि उसकी तकनीक और निर्माण प्रक्रियाएं क्षमता क्षय तथा थर्मल रनअवे का जोखिम घटाने में मदद करती हैं। ये कंपनी के उत्पाद दावे हैं; किसी भी बैटरी प्रणाली में सभी विफलता जोखिम समाप्त नहीं होते।

CATL ने चीन में बैटरी रीसाइक्लिंग क्षमता के लिए 3.25 अरब डॉलर का निवेश घोषित किया. कंपनी के अनुसार उसकी पदार्थ पुनर्प्राप्ति दर निकल, कोबाल्ट और मैंगनीज के लिए 99.6% तथा लिथियम के लिए 91% है.

कंपनी का आकार और अनुसंधान निवेश उसे बैटरी निर्माण तथा रीसाइक्लिंग में महत्वपूर्ण बनाते हैं। CATL के ग्राहकों में Tesla (TSLA ), NIO, Ford और Stellantis जैसे वाहन निर्माता शामिल हैं।

2. BYD

EV बाजार में लंबे समय से Tesla की प्रतिस्पर्धी BYD अब कई वाहन निर्माताओं के लिए मजबूत चुनौती है।

फोन बैटरी आपूर्तिकर्ता के रूप में शुरुआत करने वाली कंपनी चीन और कई विदेशी बाजारों में बड़े पैमाने पर EV और प्लग-इन हाइब्रिड बेचने वाली निर्माता बन गई है। किसी देश में शीर्ष स्थान वाहन श्रेणी और समय के अनुसार बदलता है।

2023 में चीन के जापान को पीछे छोड़कर सबसे बड़ा वाहन निर्यातक बनने में BYD का विस्तार भी महत्वपूर्ण था। कंपनी विदेशों में नई फैक्ट्रियां विकसित कर रही है, जैसे हंगरी में.

चीन में लगभग 10,000–12,000 डॉलर कीमत वाले Seagull जैसे मॉडल BYD के लिए नए ग्राहक ला सकते हैं। बिक्री पर उपलब्ध Seagull में सोडियम बैटरी नहीं, LFP आधारित Blade बैटरी इस्तेमाल होती है।

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

बैटरी निर्माण BYD के कारोबार का प्रमुख हिस्सा है। लेख में उद्धृत अवधि के चीन के LFP बैटरी आंकड़ों में उसकी हिस्सेदारी 41.1% और CATL की 33.9% बताई गई है। ये पूरे वैश्विक बैटरी बाजार की हिस्सेदारियां नहीं हैं।

यूरोप और अमेरिका में सस्ते चीनी EV को अतिरिक्त शुल्क और अन्य व्यापार बाधाओं का सामना करना पड़ सकता है। इससे BYD के विस्तार पर असर पड़ सकता है।

दक्षिण अमेरिका, अफ्रीका, मध्य पूर्व और दक्षिण-पूर्व एशिया में भी अवसर हैं। लेकिन हर देश का स्थानीय उद्योग और व्यापार नीति अलग है।

बड़ी आबादी संभावित ग्राहक आधार देती है, निश्चित बिक्री नहीं। आय, चार्जिंग सुविधाएं, कीमत और व्यापार नियम महत्वपूर्ण हैं। सभी देशों में कमजोर संरक्षण नीति मान लेना सही नहीं है।

स्थानीय उत्पादन और लागत लाभ से BYD कुछ बाजारों में प्रतिस्पर्धी रह सकती है। पूर्वी यूरोप, मेक्सिको या तुर्की जैसे स्थानों में योजनाएं इसी रणनीति से जुड़ सकती हैं; परिणाम लागत और नियमों पर निर्भर होंगे।