बैटरी में क्रांतिकारी प्रगति ने ठोस-स्थिति वैरिएंट को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाया

इलेक्ट्रिक वाहनों में प्रभुत्व हासिल करने के लिए ठोस-स्थिति बैटरियां

जबकि लिथियम-आयन बैटरियां इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी सिस्टमों के लिए प्रमुख समाधान बन गई हैं, वे कुछ सीमाओं से ग्रस्त हैं।

इनमें से एक अभी भी पर्याप्त ऊर्जा घनत्व नहीं रखती, और दूसरी सुरक्षा समस्या डेंड्राइट्स के बढ़ने से जुड़ी है जो बैटरी को छेदते हैं और कभी-कभी इलेक्ट्रोलाइट में आग लग जाती है।

स्रोत: Nobel Prize

इन दोनों समस्याओं को ठोस-स्थिति बैटरियों के साथ कम किया जाने की उम्मीद है, जो इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता को समाप्त करती हैं और डेंड्राइट्स के जोखिम को हटाती हैं।

Toyota 2027 तक इन ठोस-स्थिति बैटरियों के उपयोग की भविष्यवाणी कर रहा है, और कुल मिलाकर, यह मोबिलिटी के भविष्य के लिए एक ठोस उम्मीदवार प्रतीत होता है।

फिर भी, कुछ समस्या बनी रहती है, विशेष रूप से गार्नेट-प्रकार के ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ, जिसे Li7La3Zr2O12 या LLZO के नाम से भी जाना जाता है (नीचे देखें)।

इसलिए यह अच्छी खबर है कि कनाडा के मैकगिल विश्वविद्यालय के चार शोधकर्ताओं ने घोषणा की कि उन्होंने एक नया LLZO डिज़ाइन बनाया है जो अधिक ऊर्जा प्रदान कर सकता है। उन्होंने अपने परिणामों को Cell Reports Physical Science में प्रकाशित किया, एक लेख जिसका शीर्षक है 4.8-V सभी-ठोस-स्थिति गार्नेट-आधारित लिथियम-धातु बैटरियां स्थिर इंटरफ़ेस के साथ।

ठोस-स्थिति इलेक्ट्रोलाइट

LLZO

आमतौर पर कहा जाता है कि ठोस-स्थिति बैटरियों को इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता नहीं होती।

यह तकनीकी रूप से सही है जब हम लिथियम-आयन बैटरियों में सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले तरल इलेक्ट्रोलाइट की बात करते हैं।

लेकिन बेशक, किसी भी बैटरी को कार्य करने के लिए एनोड और कैथोड के बीच किसी न किसी प्रकार का पुल चाहिए।

ठोस-स्थिति इलेक्ट्रोलाइट (SEs) के तीन प्रकार होते हैं: सिरेमिक, पॉलीमर, और कंपोज़िट SEs (CSEs)।

कंपोज़िट ठोस-स्थिति इलेक्ट्रोलाइट (CSEs) पॉलीमर SE को आयनिक चालक इनऑर्गेनिक फिलर्स जैसे Li7La3Zr2O12 (LLZO) के साथ मिलाते हैं ताकि लिथियम-आयन परिवहन को सुगम बनाया जा सके।

हालांकि यह विधि घनी बैटरियों में उच्च-वोल्टेज संचालन के लिए आदर्श है, यह इलेक्ट्रोड के साथ खराब संपर्क के कारण कुल दक्षता को घटा देती है।

छिद्रयुक्त LLZO

शोधकर्ताओं ने खोजा कि LLZO को सामान्य सेंस प्लेट के बजाय एक छिद्रयुक्त सिरेमिक झिल्ली से बनाया जा सकता है।

अधिक तकनीकी शब्दों में:

यहाँ, हम एक अत्यधिक चालक और इंटरफ़ेस-मैत्रीपूर्ण गार्नेट-आधारित कंपोज़िट ठोस इलेक्ट्रोलाइट (CSE) डिजाइन करते हैं जिसमें क्यूबिक Li6.1Al0.3La3Zr2O12 छिद्रयुक्त फ्रेमवर्क और पॉलीविनाइलिडीन डिफ्लोरोइड (PVDF) तीन-आयामी सतत संरचना के साथ शामिल है।

दृश्य रूप में, यह माइक्रोस्कोपिक स्तर पर छोटे छेदों से भरी एक बहुत जटिल 3D संरचना में परिवर्तित होता है:

स्रोत: Cell

यह लिथियम-आयन के लिए बहुत अधिक सतह संपर्क बनाता है, जबकि इलेक्ट्रोड के साथ मजबूत चिपकन भी प्रदान करता है।

स्रोत: Cell

अधिक स्थिर और टिकाऊ बैटरियां

ठोस-स्थिति बैटरियां कुल मिलाकर लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में अधिक शक्तिशाली और ऊर्जा-घनत्व वाली होती हैं।

लेकिन उन्हें बड़े पैमाने पर बनाना कठिन रहा है ताकि वे कई चार्ज-डिसचार्ज चक्रों तक क्षमता खोए बिना टिक सकें।

इसलिए शोधकर्ताओं ने बैटरियों का परीक्षण किया यह देखने के लिए कि क्या उन्होंने जो इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस बनाया था वह उनकी अपेक्षा के अनुसार मजबूत था।

200 चक्रों के बाद, उन्होंने इसे माइक्रोस्कोप के तहत अध्ययन किया और कोई भी क्षरण का संकेत नहीं पाया, जैसे कि दरारें, डिलैमिनेशन आदि।

स्रोत: Cell

कुल मिलाकर, बैटरी प्रोटोटाइप उत्कृष्ट प्रतिरोध दर्शाता है, विशेष रूप से डेंड्राइट निर्माण के खिलाफ।

Li-Li सममित कोशिकाएं सिरेमिक-आधारित CSE पर आधारित 0.1 और 0.5 mA cm−2 पर 1,000 घंटे तक स्थिर रूप से चक्रित हो सकती हैं, जो Li-धातु और यहां तक कि Li+ जमा (डेंड्राइट दमन) के खिलाफ उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता दर्शाती हैं।

बेहतर सुरक्षा प्रोफ़ाइल

डेंड्राइट निर्माण में अत्यधिक कमी, साथ ही ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट की अनुपस्थिति, लिथियम बैटरियों की सुरक्षा को काफी बढ़ाने में मदद करनी चाहिए।

क्योंकि सिरेमिक-आधारित CSE की मोटाई केवल 125 μm है, यह तकनीक बहुत ऊर्जा-घनत्व वाली ठोस-स्थिति बैटरियां बनाने में अत्यधिक प्रतिस्पर्धी बनाती है।

यह भी उल्लेखनीय है कि यद्यपि सरल नहीं है, सुधारित LLZO बनाने की तकनीक को दुर्लभ धातुओं, दुर्लभ मशीनरी, या बैटरी निर्माण में सामान्य से बाहर जटिल चरणों की आवश्यकता नहीं होती।

स्रोत: Cell

इसलिए कुल मिलाकर, यह ठोस-स्थिति बैटरियों के सभी महत्वपूर्ण पहलुओं—स्थिरता, सुरक्षा, ऊर्जा घनत्व, और उत्पादन की सरलता—में विशेषताओं को और बढ़ाने का एक महत्वपूर्ण कदम होना चाहिए।

क्या ठोस-स्थिति बैटरियां जीत रही हैं?

यह कहना नहीं है कि ठोस-स्थिति बैटरियां आने वाले वर्षों में इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों के नए मानक बन जाएंगी।

लिथियम-आयन बैटरियां भी प्रतिस्पर्धा कर सकती हैं।

यह मुख्यतः डिजाइन में सुधार से जुड़ा है, जहाँ समान नैनोपोर डेंड्राइट निर्माण को कम करने में मदद करते हैं।

सबसे उल्लेखनीय, बैटरी निर्माण के वैश्विक नेता CATL द्वारा विकसित हनीकॉम्ब बैटरियां कुछ ठोस-स्थिति बैटरियों के समान सुरक्षा प्रोफ़ाइल और ऊर्जा घनत्व तक पहुंच सकती हैं।

कुल मिलाकर, ऐसा लगता है कि बैटरी सामग्री की गहरी समझ, विशेष रूप से माइक्रो- और नैनो-स्तर पर, और नैनोपोर के उपयोग, बैटरी प्रदर्शन को निरंतर सुधारने और डेंड्राइट निर्माण के कारण उत्पन्न जोखिम को स्थायी रूप से समाप्त करने का मार्ग होगा।

बैटरी तकनीक में निवेश

लिथियम बैटरियों ने पहले ही कई बार दुनिया को बदल दिया है, लोगों को उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स हर जगह ले जाने से लेकर केवल बिजली से कारों को चलाने तक।

वे फिर से ऐसा कर सकते हैं, या अन्य प्रकार की बैटरियां, 100% नवीकरणीय पावर ग्रिड की अनुमति देकर या पर्याप्त ऊर्जा घनत्व तक पहुंचने पर हवाई जहाज़ों को विद्युतित करने की अनुमति देकर।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से बैटरी-संबंधी कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और आप यहाँ, securities.io पर, USA, Canada, Australia, UK, और कई अन्य देशों में सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों के लिए हमारी सिफ़ारिशें पा सकते हैं।

यदि आप विशिष्ट बैटरी कंपनियों को चुनने में रुचि नहीं रखते हैं, तो आप Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X का Lithium & Battery Tech ETF (LIT), या WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF जैसे बायोटेक ETFs पर भी विचार कर सकते हैं, जो बढ़ती बैटरी उद्योग से लाभ उठाने के लिए अधिक विविधीकृत एक्सपोज़र प्रदान करेंगे।

ठोस-स्थिति कंपनियां

लंबे समय से यह उम्मीद थी कि ठोस-स्थिति बैटरियों को बाजार में लाने वाली पहली कंपनियों में से एक क्वांटमस्केप होगी, और यह इस तकनीक के विकास में अग्रणी रही है।

क्वांटमस्केप बैटरियां लिथियम धातु, अनोड-फ्री बैटरियों का उपयोग करती हैं।

अनोड-फ्री बैटरियां आयनों को अल्कली धातु की इलेक्ट्रोकेमिकल जमा के रूप में सीधे करंट कलेक्टर पर संग्रहीत करती हैं। इससे उच्च सेल वोल्टेज, कम सेल लागत, और बढ़ी हुई ऊर्जा घनत्व प्राप्त होता है।

स्रोत: QuantumScape [securities_stock_price_tag symbol="QS" exchange="NASDAQ"]

(हमने “अनोड-फ्री सोडियम ठोस-स्थिति बैटरियां ‘लिथियम त्रिकोण’ पर निर्भरता को कम कर सकती हैं” के संदर्भ में भी अनोड-फ्री बैटरियों की अवधारणा पर चर्चा की थी)।

क्वांटमस्केप ने हालांकि अपनी बैटरियों के बड़े पैमाने पर उत्पादन की अपेक्षित तिथि को नियमित रूप से विलंबित किया है, जिससे कंपनी के निवेशकों की प्रारंभिक उत्साह कम हुआ है।

यह 2023 और 2024 में कुछ प्रमुख विकासों के साथ बदल रहा हो सकता है:

• उत्पादन की स्थिरता और गुणवत्ता में सुधार।
• पैकेजिंग डिजाइन में सुधार, जिसमें अधिक कसी हुई आंतरिक मार्जिन, पतले करंट कलेक्टर, और पतला फ्रेम शामिल है।
• ऑटोमोटिव OEM (मूल उपकरण निर्माता) साझेदारों को उच्च कैथोड-लोडिंग यूनिट सेल भेजे गए।
• कंपनी के पहले व्यावसायिक उत्पाद QSE-5 के लॉन्च की घोषणा की, जिसमें ऑटोमोटिव क्षेत्र में संभावित लॉन्च ग्राहक है।

कुल मिलाकर, क्वांटमस्केप अब तक की सबसे परिपक्व तकनीक वाली ठोस-स्थिति कंपनी प्रतीत होती है, विशेष रूप से बैटरी की टिकाऊपन के संदर्भ में।

स्रोत: QuantumScape

वोल्क्सवैगन के साथ समझौता

और भी महत्वपूर्ण बात यह है कि कंपनी वोल्क्सवैगन, जो दुनिया की दूसरी सबसे बड़ी ऑटोमोबाइल निर्माता है, के साथ साझेदारी स्थापित करने में वास्तविक प्रगति दिखा रही है।

जुलाई 2024 में, क्वांटमस्केप ने वोल्क्सवैगन के साथ QSE-5 डिजाइन पर आधारित बैटरी सेल के निर्माण में सहयोग करने के लिए एक समझौता किया।

यह लाइसेंस PowerCo को वार्षिक रूप से 40 GWh तक ऑटोमोटिव बैटरियां बनाने और बेचने की अनुमति देगा, जिसे अतिरिक्त 40 GWh तक बढ़ाया जा सकता है।

यह एक गैर-विशिष्ट, रॉयल्टी-धारी IP लाइसेंस है, जो क्वांटमस्केप को किसी भी अन्य संभावित ग्राहक को बेचते रहने की अनुमति देता है।

शायद कंपनी के बारे में निवेशकों की चिंताओं को कम करने के लिए यह अधिक महत्वपूर्ण है कि यह प्रारंभिक रॉयल्टी शुल्क $130M देगा, जिसे भविष्य की रॉयल्टी के विरुद्ध क्रेडिट किया जाएगा, जो PowerCo, वोल्क्सवैगन की बैटरी सहायक कंपनी द्वारा भुगतान किया जाएगा।

यह कंपनी को पिछले मार्गदर्शन की तुलना में अतिरिक्त 18 महीने की नकदी रनों प्रदान करता है, जिससे अब यह 2028 तक भी चल सकेगा।

उत्पादन को तेज़ करने और ठोस राजस्व दर्ज करने के लिए यह पर्याप्त समय होना चाहिए।

इसलिए जब तक क्वांटमस्केप बैटरियां पर्याप्त रूप से प्रदर्शन करती रहेंगी, वे CATL, BYD, और पैनासोनिक जैसी बड़ी कंपनियों द्वारा निर्मित बैटरियों के साथ बाजार में अपना स्थान पा सकेंगी।

यह देखते हुए कि वोल्क्सवैगन ने संभवतः अपने क्वांटमस्केप प्रोटोटाइप का व्यापक परीक्षण किया है और उत्पादन वृद्धि का अध्ययन किया है, हालिया समझौता कंपनी की तकनीक की एक ठोस पुष्टि जैसा प्रतीत होता है।

स्रोत: QuantumScape

इसके अलावा, ठोस-स्थिति बैटरियों के व्यावसायीकरण के लिए टॉयोटा की समानांतर 2027 की समयसीमा यह संकेत देती है कि कई असफल प्रयासों के बाद, तकनीक अब एक ऐसे स्तर पर पहुंच रही है जहाँ यह पर्याप्त परिपक्व हो गई है।