ऊर्जा
विक्रमित रॉक सॉल्ट: ऑक्सीजन मोबिलिटी को संबोधित करने से बैटरी तकनीक में सफलता मिली
बैटरी की मांग पूरे विश्व में बढ़ रही है, इसके बढ़ते उपयोग के कारण ऑटोमोटिव उद्योग में, पोर्टेबल उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स की बढ़ती लोकप्रियता और सख्त पर्यावरण नियमों के कारण। इसके परिणामस्वरूप, वैश्विक बैटरी बाजार को 2023 में लगभग $120bln से 2036 तक $800bln तक पहुंचने का अनुमान है।
इस अपेक्षित विकास के प्रकाश में, शोधकर्ता निरंतर नई सामग्रियों और रसायनों को विकसित और परीक्षण कर रहे हैं ताकि बैटरी के महत्वपूर्ण हिस्सों में सुधार किया जा सके, जो ऊर्जा आउटपुट, ऊर्जा भंडारण, शक्ति क्षमता और चक्र क्षमता जैसे गुणों को प्रभावित करते हैं।
इन घटकों में एक कैथोड (सकारात्मक इलेक्ट्रोड), एक एनोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड), एक इलेक्ट्रोलाइट (इलेक्ट्रोड के बीच आयन परिवहन के लिए) और एक सेपरेटर शामिल हैं।
आजकल बैटरी से चलने वाले अधिकांश उपकरण, जैसे कि ईवी, स्मार्टफोन और ऊर्जा भंडारण प्रणाली, लिथियम-आयन बैटरी प्रौद्योगिकी पर निर्भर करते हैं। लिथियम-आयन बैटरी कompact आकार में बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं, तेजी से चार्ज हो सकती हैं और लंबे समय तक चल सकती हैं।
हालांकि, बैटरी की बढ़ती मांग के साथ, नए तकनीकों को विकसित किया जा रहा है ताकि दक्षता में सुधार किया जा सके, लागत कम की जा सके, सुरक्षा में सुधार किया जा सके और स्थिरता को बढ़ावा दिया जा सके।
वर्षों से, निरंतर शोध ने उन्नति की है जो लिथियम-आयन और लेड-एसिड बैटरी के विकल्प के रूप में वादा करती है।
सोडियम-आयन बैटरी एक अधिक किफायती और सुरक्षित विकल्प प्रदान करती हैं जो कम तापमान पर बेहतर प्रदर्शन करती हैं। ये बैटरी लिथियम-आयन बैटरी के समान हैं, लेकिन इलेक्ट्रोलाइट के रूप में नमकीन पानी का उपयोग करती हैं, जो उन्हें ऊर्जा भंडारण के लिए अधिक उपयुक्त बनाती हैं, हालांकि उन्हें अभी तक अनुकूलित नहीं किया गया है। शोधकर्ता नैनोवायर को अधिक लचीला और बैटरी के उपयोग के लिए उपयुक्त बनाने के लिए इलेक्ट्रोलाइट जेल का भी उपयोग कर रहे हैं।
सॉलिड-स्टेट बैटरी, दूसरी ओर, एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट जैसे कि ग्लास, सिरेमिक या पॉलिमर का उपयोग करती हैं, जेल या तरल इलेक्ट्रोलाइट के बजाय। ये बैटरी बहुत अधिक कुशल हैं, वजन कम है, तेजी से चार्ज होती हैं और पहले से ही स्मार्टफोन और पेसमेकर में उपयोग की जा रही हैं। टोयोटा और बीएमडब्ल्यू वर्तमान में सॉलिड-स्टेट बैटरी से चलने वाली कारों को लॉन्च करने पर काम कर रहे हैं, हालांकि इसमें अभी भी कुछ साल लगेंगे।
नई बैटरी प्रौद्योगिकियों में लिथियम-गंधक बैटरी भी शामिल हैं, जो लागत-कुशल हैं लेकिन टिकाऊपन की सीमा है। और कोबाल्ट-मुक्त लिथियम-आयन बैटरी जो कोबाल्ट खनन में मानवाधिकार चिंताओं को संबोधित कर सकती हैं। हालांकि, विकल्प जैसे TAQ अभी भी नए हैं और अधिक परीक्षण की आवश्यकता है।
जस्ता-आधारित बैटरी की भी खोज की जा रही है, जिनमें जस्ता-मैंगनीज डाइऑक्साइड, जस्ता-हवा, जस्ता-ब्रोमीन और जस्ता-आयन बैटरी शामिल हैं। हालांकि, वे अक्षम हैं, कभी-कभी अप्रत्याशित रासायनिक परिवर्तन प्रतिक्रियाओं में शामिल होते हैं और निर्माण के लिए महंगे हैं, जिसमें अधिक शोध की आवश्यकता है।
जैसे ही दुनिया बैटरी पर अधिक निर्भर करती है, वैज्ञानिक वैश्विक स्तर पर भंडारण समय, शक्ति आउटपुट, उत्पादन लागत और तात्कालिक तैयारी में सफलता हासिल करने पर केंद्रित हैं।
नवीनतम बैटरी सफलता: रॉक सॉल्ट-पॉलिएनियन कैथोड
नई शोध ने बैटरी की व्यावहारिक ऊर्जा घनत्व में वृद्धि करने में एक उन्नति की है। प्रकाशित नेचर एनर्जी में पिछले महीने, अध्ययन का शीर्षक “एकीकृत रॉकसॉल्ट-पॉलिएनियन कैथोड्स एक्सेस लिथियम और स्थिर चक्रिंग के साथ” था, जो एमआईटी विभाग द्वारा किया गया था।
अध्ययन एक नए कैथोड सामग्री पर केंद्रित है जो विक्रमित रॉक सॉल्ट में पाई जाती है, जिसे एक दशक से अधिक समय से लिथियम-आयन बैटरी के लिए एक उन्नत कैथोड सामग्री के रूप में अध्ययन किया जा रहा है।
एमआईटी शोधकर्ताओं ने सुनिश्चित किया कि सामग्री उच्च-ऊर्जा, कम-लागत भंडारण के लिए इलेक्ट्रिक वाहनों, मोबाइल फोन और अक्षय ऊर्जा भंडारण के लिए बनाई जा सकती है।
जू ली के नेतृत्व में, टीम ने डीआरएक्सपीएस, या विक्रमित रॉक सॉल्ट-पॉलिएनियन स्पिनल, के रूप में नई सामग्री की खोज की।
यह नई श्रेणी की आंशिक रूप से विक्रमित रॉक सॉल्ट कैथोड, पॉलिएनियन के साथ एकीकृत, उच्च वोल्टेज पर उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ बढ़ी हुई चक्र स्थिरता प्रदान करती है।
“हम इस काम के साथ नए कैथोड रसायनों को डिजाइन करने का लक्ष्य रखते हैं।”
– यिमेंग हुआंग, पेपर के पहले लेखक, एनएसई में एक पोस्टडॉक
अब, यह नई सामग्री परिवार उच्च ऊर्जा घनत्व और अच्छी चक्र स्थिरता दोनों कैसे प्राप्त कर सकती है? उत्तर रॉक सॉल्ट और पॉलिएनियन ओलिविन दो कुंजी कैथोड सामग्रियों के एकीकरण में निहित है।
एक और बात यहां खेल में है मैंगनीज (म्न), एक कठोर, चांदी की धातु जो पृथ्वी पर बहुतायत में पाई जाती है और आज के कैथोड में उपयोग किए जाने वाले अन्य तत्वों की तुलना में बहुत सस्ती है।
उदाहरण के लिए, मैंगनीज कोबाल्ट (को) की तुलना में तीस गुना कम महंगा है और निकेल (नी) की तुलना में पांच गुना कम महंगा है, जो दोनों बैटरी में सामान्यतः उपयोग किए जाते हैं।
“(एक सामग्री होना जो) बहुत अधिक पृथ्वी-अभिवृद्धि है, यह एक बड़ा फायदा है।”
– ली, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर
यह फायदा, शोधकर्ताओं के अनुसार, शून्य-कार्बन भविष्य के लिए बहुत मूल्य है, जिसमें अक्षय ऊर्जा बुनियादी ढांचे की आवश्यकता है।
बैटरी इस संक्रमण में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती हैं, जिसमें विद्युत वाहनों के माध्यम से परिवहन को डीकार्बोनाइज करना और सौर और पवन ऊर्जा की अनियमितता को संबोधित करना शामिल है।
शोधकर्ताओं का यह भी उल्लेख है कि सामग्रियों जैसे कोबाल्ट और निकेल अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगे हैं।
“यदि हम ऊर्जा उत्पादन, परिवहन और अधिक के वास्तविक विद्युतीकरण चाहते हैं, तो हमें पृथ्वी-अभिवृद्धि बैटरी की आवश्यकता है जो अनियमित फोटोवोल्टिक और पवन ऊर्जा को संग्रहीत कर सके। मुझे लगता है कि यह इस सपने की ओर एक कदम है।”
वर्तमान सामग्रियों में ऑक्सीजन मोबिलिटी की बाधा को पार करना
होंडा रिसर्च इंस्टीट्यूट यूएसए इंक और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के मॉलिक्युलर फाउंड्री द्वारा वित्त पोषित, अध्ययन ने विक्रमित रॉक सॉल्ट कैथोड का सामना करने वाली एक प्रमुख चुनौती को संबोधित किया।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, सामग्री में बहुत उच्च क्षमता है।
हालांकि, इसके उच्च क्षमता के बावजूद, सामग्री बहुत स्थिर नहीं है।
यह आंशिक रूप से ऑक्सीजन रेडॉक्स के कारण है, जो कैथोड सामग्रियों में ऑक्सीजन परमाणुओं के पास इलेक्ट्रॉन घनत्व को हेरफेर करने की एक प्रक्रिया है।
ऑक्सीजन रेडॉक्स तब सक्रिय होता है जब कैथोड को उच्च वोल्टेज पर चार्ज किया जाता है, जिससे ऑक्सीजन मोबाइल हो जाती है, जो तब इलेक्ट्रोलाइट और सामग्री के साथ प्रतिक्रिया करती है और सामग्री के क्षरण का कारण बनती है।
इन चुनौतियों को पार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सामग्री में एक और तत्व पेश किया: फॉस्फोरस (पी), एक नरम, मोम जैसी ठोस जो गोंद की तरह काम करती है, ऑक्सीजन को उसकी जगह पर रखती है और सामग्री के क्षरण को कम करती है।
लेकिन केवल फॉस्फोरस जोड़ना ही पर्याप्त नहीं है। यह फॉस्फोरस की सही मात्रा है जो यहां सबसे महत्वपूर्ण नवाचार है।
फॉस्फोरस की सही मात्रा जोड़ने से ऑक्सीजन को बंद करने में मदद मिली।
इस प्रकार, उन्होंने ऑक्सीजन द्वारा योगदान दी गई क्षमता का उपयोग करने और साथ ही साथ अच्छी स्थिरता प्राप्त करने में सक्षम हुए।
बैटरी को उच्च वोल्टेज पर चार्ज करने की क्षमता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह संग्रहीत ऊर्जा को प्रबंधित करने के लिए सरल प्रणालियों की अनुमति देती है।
“आप कह सकते हैं कि ऊर्जा की गुणवत्ता उच्च है। प्रति सेल वोल्टेज जितना अधिक होगा, उतना ही कम आपको बैटरी पैक में उन्हें श्रृंखला में जोड़ने की आवश्यकता होगी, और बैटरी प्रबंधन प्रणाली उतनी ही सरल होगी।”
– ली
यह अध्ययन केवल शुरुआत है, क्योंकि टीम अब मैंगनीज, लिथियम, ऑक्सीजन और फॉस्फोरस के विभिन्न अनुपात की खोज करेगी, साथ ही सिलिकॉन, सल्फर और बोरॉन जैसे अन्य पॉलिएनियन-निर्माण तत्वों के विभिन्न संयोजन।
आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ता सामग्री को बनाने के लिए नए तरीकों की भी जांच करेंगे, जिसमें स्केलेबिलिटी और मॉर्फोलॉजी पर विशेष ध्यान दिया जाएगा।
वर्तमान अध्ययन में मैकेनोकेमिकल सिंथेसिस के लिए उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग का उपयोग किया जाता है, जो गैर-एकरूप मॉर्फोलॉजी और लगभग 150 नैनोमीटर के कण आकार प्रदान करता है, जो एक छोटा औसत है।
इसलिए, शोधकर्ता वैकल्पिक सिंथेसिस विधियों का प्रयास कर रहे हैं ताकि अधिक एकरूप मॉर्फोलॉजी और बड़े कण आकार प्राप्त किए जा सकें।
यह सामग्री के वोल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने में मदद करेगा और उन्हें बैटरी के प्रदर्शन में सुधार के लिए कुछ कोटिंग विधियों का प्रयास करने की अनुमति दे सकता है।
भविष्य की विधियों को भी औद्योगिक रूप से स्केलेबल होना चाहिए।
एक और मुद्दा चालकता है, जिसे कैथोड पेस्ट के वजन के 20 प्रतिशत तक कार्बन जोड़कर बढ़ाया गया था, क्योंकि सामग्री स्वयं एक अच्छा चालक नहीं है।
इसलिए, शोधकर्ता इलेक्ट्रोड में कार्बन सामग्री को कम करने के लिए आगे बढ़ेंगे।
यदि वे बैटरी के प्रदर्शन को त्यागने के बिना ऐसा कर सकते हैं, तो वे बैटरी में सक्रिय सामग्री की मात्रा बढ़ाकर व्यावहारिक ऊर्जा घनत्व में वृद्धि कर सकते हैं।
इस उद्देश्य से, वे कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करने पर विचार कर रहे हैं, जो वजन के हिसाब से कार्बन सामग्री को केवल एक या दो प्रतिशत तक कम कर सकते हैं, जिससे बैटरी में सक्रिय कैथोड सामग्री की मात्रा में महत्वपूर्ण वृद्धि हो सकती है।
वर्तमान अध्ययन में, हालांकि, सुपर पी का उपयोग किया गया था, जो एक चालक कार्बन है जो नैनोस्फियर से बना है, जो कम कुशल है।
एक और सुधार मोटे इलेक्ट्रोड का उपयोग करना है, जो बैटरी के व्यावहारिक ऊर्जा घनत्व को और बढ़ा सकता है।
एक बार जब टीम सामग्री संरचना को अनुकूलित कर लेती है, तो मोटे इलेक्ट्रोड विकसित करती है, बेहतर मॉर्फोलॉजी के लिए एकरूप कोटिंग प्राप्त करती है, कार्बन सामग्री को कम करती है और स्केलेबल सिंथेसिस विधियों को अपनाती है, तो वे डीआरएक्सपीएस कैथोड परिवार को इलेक्ट्रिक वाहनों, ग्रिड स्टोरेज और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में अनुप्रयोगों के लिए बहुत ही आशाजनक मानते हैं।
बैटरी के क्षेत्र में आगे बढ़ने वाली कंपनियां
बैटरी सामग्रियों में कैथोड प्रौद्योगिकियों पर ध्यान केंद्रित करते हुए, कई निगम बैटरी के क्षेत्र में आगे बढ़ रहे हैं।
उमिकोर (यूएमआईसीवाई) एक ऐसी कंपनी है जो बैटरी सामग्रियों में शामिल है, विशेष रूप से कैथोड प्रौद्योगिकियों में, जो स्थायी और उन्नत सामग्रियों पर केंद्रित है।
#1. अल्बेमार्ल कॉर्पोरेशन (एएलबी)
एक प्रमुख लिथियम उत्पादक, अल्बेमार्ले ने ऊर्जा घनत्व में वृद्धि के साथ बैटरी प्रौद्योगिकियों को विकसित किया है ताकि वजन कम किया जा सके और सीमा बढ़ाई जा सके।
(ALB )
9.84 बिलियन डॉलर के बाजार पूंजीकरण के साथ, अल्बेमार्ले के शेयर वर्तमान में 83.66 डॉलर पर कारोबार कर रहे हैं, जो वर्ष-दर-वर्ष 41.6% कम है।
#2. क्वांटमस्केप (QS)
क्वांटमस्केप एक ठोस-राज्य लिथियम-धातु बैटरी का विकासकर्ता है, जो ऊर्जा भंडारण को बदलने का लक्ष्य रखता है।
(QS )
निष्कर्ष
बैटरी के व्यापक उपयोग और बाजार के आकार को देखते हुए, नए और उन्नत बैटरी प्रौद्योगिकियों का शोध और विकास किया जा रहा है।
जैसा कि हमने नवीनतम अध्ययन में देखा, नई कैथोड सामग्री ने “उच्च ग्राविमेट्रिक ऊर्जा घनत्व 1,100 व्ह / किग्रा -1 से ऊपर और 100 चक्रों में 70% से अधिक प्रतिधारण” प्रदर्शित किया, जो पृथ्वी-अभिवृद्धि तत्वों जैसे मैंगनीज और लोहे से बनी बैटरी कैथोड के लिए दरवाजा खोलता है।
चूंकि लिथियम-आयन बैटरी स्वच्छ ऊर्जा संक्रमण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा मानी जाती हैं, इस तरह के अध्ययन सुनिश्चित करते हैं कि उनकी निरंतर वृद्धि और मूल्य में कमी होती है, जो “सस्ती, उच्च-प्रदर्शन वाली कैथोड सामग्री” विकसित करके हासिल की जा सकती है।
यह ऊर्जा भंडारण के लिए एक आशाजनक भविष्य की ओर इशारा करता है, जिसमें बढ़ती वैश्विक मांगों को पूरा करने और पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने की क्षमता है।
बैटरी में निवेश करने के लिए शीर्ष दस शेयरों की सूची देखने के लिए यहां क्लिक करें।
