बेहतर बैटरी डिजाइन करना – कोबाल्ट को अलविदा और …TAQ को स्वागत?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently विकसित किया a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

बैटरियों का महत्व

इलेक्ट्रिक वाहनों के उदय के साथ — जिसका बड़ा श्रेय अमेरिकी Tesla (TSLA ) और चीनी BYD तथा CATL को जाता है — बैटरी तकनीक पहले से कहीं अधिक महत्वपूर्ण हो गई है, क्योंकि अब यह केवल इलेक्ट्रॉनिक्स ही नहीं, बल्कि परिवहन के लिए भी प्रासंगिक है। जल्द ही पवन और सौर जैसी नवीकरणीय ऊर्जा की अनियमितता को संतुलित करने के लिए यह विद्युत ग्रिड में भी अहम होगी।

वैश्विक ईवी बिक्री – स्रोत: IEA

आज तक, बैटरियों के लिए प्रमुख रसायन विज्ञान लिथियम-आयन तकनीक है। यह इसलिए है क्योंकि ये बैटरियां kW/kg में मापी जाने वाली ऊर्जा घनत्व में सबसे अधिक होती हैं। यह मीट्रिक गतिशीलता अनुप्रयोगों में सबसे महत्वपूर्ण है, क्योंकि बैटरी का हर अतिरिक्त किलोग्राम अधिक बैटरी या कम रेंज का कारण बनता है।

इसलिए, चूंकि ईवी भविष्य की प्रमुख ऑटोमोबाइल तकनीक के रूप में सिद्ध हो चुके हैं (और शायद ट्रकों और यहां तक कि विमानों के लिए भी), बैटरी तकनीक को सुधारने के लिए काफी प्रयास किया गया है।

लीथियम-आयन को छोड़ना?

ऊर्जा घनत्व अधिक होने के बावजूद पारंपरिक लिथियम-आयन तकनीक दोषरहित नहीं है। कई समस्याओं का समाधान अभी बाकी है:

• घनत्व अभी भी गैसोलीन और डीजल जैसे तरल ईंधनों की तुलना में काफी कम है, जिससे रेंज एंग्जायटी होती है।
• चार्जिंग कुछ हद तक धीमी हो सकती है, जो कई ड्राइवरों और व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए समस्या है।
• बैटरियां महंगी हैं, मुख्यतः महंगे खनिजों की आवश्यकता के कारण।
  • इस कारण ईवी प्रारंभ में एक लक्ज़री वस्तु अधिक थे न कि सामान्य उपभोक्ता वस्तु।
  • इन खनिजों का खनन अक्सर पर्यावरण के अनुकूल नहीं होता और खनन कार्य स्थितियां अक्सर भयानक होती हैं, विशेषकर कांगो में कोबाल्ट के मामले में बाल श्रम या शोषण के साथ।

परिणामस्वरूप, कई वैकल्पिक रासायनिक संरचनाओं पर विचार किया गया है। इनमें निम्नलिखित शामिल हैं, लेकिन विकल्प केवल इन्हीं तक सीमित नहीं हैं:

• LFP (Lithium-Ferrum/iron-Phosphate)
• सोडियम-आयन
• सॉलिड-स्टेट बैटरियां
• लिथियम-सल्फर
• ग्रैफ़ीन
• ग्लास बैटरियां

एल्यूमिनियम का ऑक्सीकरण को पूरी तरह बैटरियों के विकल्प के रूप में भी चर्चा किया गया है। हालांकि, इन सभी विकल्पों की अपनी सीमाएं हैं। इसमें कम आयु, निर्माण कठिनाई आदि शामिल हो सकते हैं।

(हमने अपने लेख “भविष्य की गतिशीलता – बैटरी तकनीक” में इन तकनीकों के फायदे और सीमाओं पर विस्तार से चर्चा की है।

सबसे आशाजनक, जैसे सॉलिड-स्टेट बैटरियां, अभी भी प्रयोगात्मक चरण में हैं, और व्यावसायीकरण के लिए तैयार, जैसे LFP और सोडियम-आयन, लिथियम-आयन की तुलना में कम ऊर्जा घनत्व रखते हैं।

इन कम-घनत्व बैटरियों के लिए संभवतः एक बाजार है, क्योंकि इन्हें बनाना भी बहुत सस्ता है। चीनी कंपनी CATL (300750.SZ), जो ग्रह की आधी से अधिक बैटरियां बनाती है, इस क्षेत्र में अग्रणी है। हमने अपने लेख “टॉप 10 बैटरी स्टॉक्स इनवेस्ट करने के लिए” में प्रमुख बैटरी निर्माताओं पर चर्चा की थी।

फिर भी, अंततः आदर्श ईवी को सस्ती और शक्तिशाली बैटरी चाहिए होगी। यह संयोजन संभवतः पूरी तरह से दहन इंजन को बदलने के लिए आवश्यक होगा, विशेषकर व्यावसायिक अनुप्रयोगों में।

लीथियम-आयन कैथोड समस्या

लिथियम-आयन की अधिकांश सीमाएँ बैटरी के कैथोड भाग के रासायनिक और भौतिक गुणों से आती हैं। आम तौर पर कैथोड में कोबाल्ट की आवश्यकता होती है, और कोबाल्ट-मुक्त संभावित विकल्प भी प्रायः निकल तथा मैग्नीशियम जैसी अन्य महँगी धातुओं पर बहुत निर्भर रहते हैं।

(ईवी और नवीकरणीय ऊर्जा की ओर संक्रमण के लिए आवश्यक धातुओं पर हमारा लेख “टॉप 10 बैटरी धातुएँ & नवीकरणीय ऊर्जा खनन स्टॉक्स” में आगे चर्चा की गई है।

इन धातुओं को खनन करना पड़ता है, जिससे प्रदूषण होता है, और कार्य स्थितियां अक्सर भयानक होती हैं। ये विषाक्त भी हैं, जिससे बैटरियों का पुनर्चक्रण अधिक जटिल हो जाता है।

स्रोत: Visual Capitalist

शोधकर्ता कार्बन-आधारित विकल्पों, या तथाकथित जैविक कैथोड्स की तलाश कर रहे हैं। अभी तक यह काफी असफल रहा है, क्योंकि जैविक कैथोड्स या तो ऊर्जा घनत्व में बहुत कम होते हैं या ईवी के बार-बार चार्ज-डिसचार्ज चक्रों के लिए पर्याप्त टिकाऊ नहीं होते।

यह MIT शोधकर्ताओं की उपर्युक्त खोज के कारण बदल सकता है।

जैविक कैथोड का एक नया प्रकार

प्रो. मिर्चिया डिन्का, MIT में W.M. Keck ऊर्जा प्रोफेसर के रूप में कार्यरत, ने हाल ही में उन नए जैविक यौगिकों की खोज की है जो पहले कैथोड अनुप्रयोगों के लिए परीक्षण नहीं किए गए थे। पहले खोजे गए ऑर्गैनोसल्फर और कार्बोनिल यौगिकों के बजाय, उन्होंने TAQ (बाइस-टेट्रा-ऐमिनोबेंज़ोक्विनोन) नामक यौगिक को देखा। उनकी टीम ने पहले इस रसायन को सुपरकैपेसिटर सामग्री के रूप में संभावनाएं दिखा चुकी थी।

TAQ बैटरियों में उपयोग के लिए बड़ी संभावनाएं रखता है, क्योंकि यह “परतदार ठोस-स्थिति संरचनाएं बनाता है जो संभावित रूप से पारंपरिक कोबाल्ट-आधारित कैथोड प्रदर्शन से प्रतिस्पर्धा कर सकती हैं।”

स्वयं में यह पर्याप्त नहीं होता। MIT शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि TAQ को कैथोड के स्टेनलेस-स्टील करंट कलेक्टर से चिपकाने की क्षमता को कैसे सुधारा जाए, जिससे नए प्रूफ-ऑफ़-कॉन्सेप्ट कैथोड प्रोटोटाइप की स्थिरता बढ़ी।

TAQ में सेल्यूलोज़ और रबर-युक्त सामग्री जोड़कर, उन्होंने सुरक्षित रूप से 2,000 से अधिक चार्ज-डिसचार्ज चक्र प्राप्त किए। ऊर्जा घनत्व भी कोबाल्ट-आधारित कैथोड्स की तुलना में अधिक था, और चार्जिंग 6 मिनट से कम समय में पूरी हो गई।

आगे क्या?

यह अभी तक एक प्रयोगशाला प्रोटोटाइप है, और इसे पूर्ण ईवी बैटरी पैक आकार तक स्केल करने के लिए आगे काम करना पड़ेगा—और यहां तक कि इस नई बैटरी रसायन के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रक्रिया विकसित करने के लिए भी अतिरिक्त प्रयास की आवश्यकता होगी।

फिर भी, यह उन पहले मामलों में से एक है जहाँ एक जैविक कैथोड ने सभी महत्वपूर्ण मीट्रिक—ऊर्जा घनत्व, सामग्री लागत, और चार्जिंग गति—पर कोबाल्ट-आधारित लिथियम-आयन डिज़ाइनों को मात दी है।

यह दर्शाता है कि लिथियम-आयन रसायन मुख्यधारा की बैटरी रसायन बना रह सकता है, बशर्ते वह उन धातुओं पर निर्भरता को हल कर सके जो नैतिक और पर्यावरणीय समस्याएं पैदा करती हैं।

प्रो. डिन्का के शोध से यह भी सिद्ध होता है कि जैविक कैथोड्स में बड़ी संभावनाएं हैं, और संभवतः हजारों अन्य जैविक यौगिक अभी तक इस अनुप्रयोग के लिए परीक्षण नहीं किए गए हैं। इसलिए यदि TAQ कोबाल्ट और निकेल को प्रतिस्थापित करने में पर्याप्त नहीं भी रहा, तो TAQ के समान अन्य रसायन इसे हासिल कर सकते हैं।

लिथियम-आयन डिज़ाइन को एक विशाल पूर्व-स्थापित आपूर्ति श्रृंखला और उत्पादन आधार भी मिलता है। और केवल कैथोड बदलना नई रसायनों को समायोजित करने के लिए बैटरी फैक्ट्री को जमीन से पुनर्निर्माण करने की तुलना में बहुत आसान होगा। इसलिए, व्यावसायिक दृष्टिकोण से लिथियम-आयन को सुधारना समझदारी हो सकता है।

यह भी उल्लेखनीय है कि जैविक कैथोड्स को अन्य प्रकार की बैटरियों के लिए भी चर्चा की गई है, उदाहरण के लिए एल्यूमिनियम-आयन, सोडियम/पोटैशियम-आयन, जिंक, या कैल्शियम-आधारित ड्यूल-आयन बैटरियों के लिए। इसलिए, TAQ की विशेषताओं की खोज को लिथियम-आयन के अलावा अन्य बैटरी प्रकारों में भी लागू किया जा सकता है।

किसी भी स्थिति में, बैटरियों में जैविक घटकों का उपयोग उन्हें पुनर्चक्रण में आसान बनाता है, एक मुद्दा (निवेश अवसर) जिसे हमने अपने लेख “Li-ion दुविधा को संबोधित करना: बढ़ते इलेक्ट्रिफाइड विश्व में निष्क्रिय बैटरी सेल्स का निपटान” में गहराई से जांचा है।

जैविक कैथोड कंपनियां

Volkswagen AG

प्रो. मिर्चिया डिंका के शोध को Volkswagen Group के स्वामित्व वाली Audi की सहायक कंपनी Automobili Lamborghini S.p.A. ने वित्तपोषित किया था। जैविक कैथोड तकनीक के लिए पेटेंट आवेदन पहले ही दाखिल किया जा चुका है।

जर्मन ऑटोमोबाइल निर्माता दुनिया का दूसरा सबसे बड़ा कार निर्माता है, केवल टोयोटा के बाद। कंपनी एक समय में ईवी तकनीक में पीछे थी लेकिन तब से, विशेषकर ID कार श्रृंखला और कई हाइब्रिड मॉडलों के साथ, इसे पकड़ने के लिए कड़ी मेहनत कर रही है।

स्रोत: Volkswagen

2033 तक, Volkswagen समूह यूरोप में केवल ईवी उत्पादन करने की योजना बना रहा है.

MIT के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग अनेक साझेदारियों में से केवल एक है। इलेक्ट्रिक वाहनों से जुड़ी अन्य साझेदारियों में शामिल हैं:

• Renault के साथ 20,000 यूरो ईवी के लिए साझेदारी।
• चीन के Xpeng में $700M निवेश, जिससे चीन में ईवी बिक्री बढ़ेगी।
• चीन के SAIC Motor के साथ साझेदारी, जिससे Volkswagen को ईवी प्लेटफ़ॉर्म सप्लाई किए जाएंगे।
• Jetta Motor के साथ साझेदारी, ईवी तकनीक प्राप्त करने के लिए।
• Magna के साथ $492M साझेदारी, जिससे प्रतिष्ठित Scout SUV को ईवी के रूप में पुनर्जीवित किया जाएगा।

इलेक्ट्रिक वाहनों को लेकर अपनी महत्वाकांक्षी योजनाओं और अग्रणी चीनी कंपनियों की उन्नत ईवी तकनीक तक पहुँच के कारण Volkswagen, MIT की पेटेंट की गई जैविक कैथोड तकनीक का मूल्यांकन करने और इसे भविष्य के इलेक्ट्रिक वाहनों में बड़े पैमाने पर लागू करने की अच्छी स्थिति में है।

अन्य जैविक बैटरी कंपनियां

हालाँकि वे नए कैथोड विकसित नहीं कर रहे हैं, दो स्टार्टअप एनोड के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए जैविक यौगिकों के उपयोग पर काम कर रहे हैं: Store Dot और EnergyX।