विकृत रॉक सॉल्ट: ऑक्सीजन गतिशीलता को संबोधित करने से बैटरी तकनीक में हुई प्रगति

बैटरियों की मांग विश्वभर में बढ़ रही है, उनके बढ़ते उपयोग से ऑटोमोबाइल उद्योग में, पोर्टेबल उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स की लोकप्रियता में वृद्धि, और कड़े पर्यावरणीय नियमों के कारण। परिणामस्वरूप, वैश्विक बैटरी बाजार का अनुमान 2036 तक $800 बिलियन तक पहुँचने का है, जो 2023 में लगभग $120 बिलियन से बढ़ा है।

इस अपेक्षित वृद्धि को देखते हुए, शोधकर्ता लगातार नई सामग्री और रसायन विकसित और परीक्षण कर रहे हैं ताकि बैटरियों के महत्वपूर्ण भागों में सुधार हो सके, जो ऊर्जा आउटपुट, ऊर्जा भंडारण, पावर क्षमता, और साइक्लिंग क्षमता जैसी विशेषताओं को प्रभावित करते हैं।

इन घटकों में कैथोड (धनात्मक इलेक्ट्रोड), एनोड (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड), इलेक्ट्रोलाइट (इलेक्ट्रोड के बीच आयन परिवहन के लिए), और सेपरेटर शामिल हैं।  

आज अधिकांश बैटरी‑संचालित उपकरण, जैसे इलेक्ट्रिक वाहन, स्मार्टफ़ोन, और ऊर्जा भंडारण प्रणाली, लिथियम‑आयन बैटरी तकनीक पर निर्भर हैं। लिथियम‑आयन बैटरियां छोटे आकार में बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं, तेज़ चार्ज होती हैं, और लंबा जीवनकाल रखती हैं।

हालांकि, बैटरियों की बढ़ती मांग और अधिक क्षमताओं की आवश्यकता के साथ, नई तकनीकों का शोध और विकास किया जा रहा है ताकि दक्षता बढ़े, लागत घटे, सुरक्षा में सुधार हो, और स्थिरता को बढ़ावा मिले।

वर्षों से निरंतर शोध ने ऐसे उन्नयन लाए हैं जो लिथियम‑आयन और लीड‑एसिड बैटरियों के लिए आशाजनक विकल्प प्रस्तुत करते हैं। 

सोडियम‑आयन बैटरियां अधिक किफायती और सुरक्षित विकल्प प्रदान करती हैं जो कम तापमान पर बेहतर प्रदर्शन करती हैं। ये बैटरियां लिथियम‑आयन बैटरियों के समान हैं लेकिन इलेक्ट्रोलाइट के रूप में समुद्री जल का उपयोग करती हैं, जिससे वे ऊर्जा भंडारण के लिए अधिक उपयुक्त बनती हैं, हालांकि अभी तक इन्हें पूरी तरह अनुकूलित नहीं किया गया है। शोधकर्ता नैनोवायर को अधिक लचीला बनाने और बैटरियों में उपयोग योग्य बनाने के लिए इलेक्ट्रोलाइट जेल का उपयोग भी कर रहे हैं। 

सॉलिड‑स्टेट बैटरियां, दूसरी ओर, जेल या तरल इलेक्ट्रोलाइट के बजाय कांच, सिरेमिक, या पॉलिमर जैसे ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती हैं। ये बैटरियां बहुत अधिक कुशल, हल्की, तेज़ चार्ज होने वाली, और पहले से ही स्मार्टफ़ोन और पेसमेकर में उपयोग हो रही हैं। टोयोटा और बीएमडब्ल्यू वर्तमान में सॉलिड‑स्टेट बैटरियों से चलने वाली कारें लॉन्च करने पर काम कर रहे हैं, हालांकि इसके लिए अभी कुछ साल लगेंगे।

नई बैटरी तकनीकों में लिथियम‑सल्फर बैटरियां भी शामिल हैं, जो लागत‑प्रभावी हैं लेकिन टिकाऊपन में सीमित हैं, और कोबाल्ट‑रहित लिथियम‑आयन बैटरियां, जो कोबाल्ट खनन में मानवाधिकार संबंधी चिंताओं को कम करने में मदद कर सकती हैं। हालांकि, TAQ जैसी विकल्प अभी नई हैं और अधिक परीक्षण की आवश्यकता है।

जिंक‑आधारित बैटरियों का भी अन्वेषण किया जा रहा है, जिसमें जिंक‑मैंगनीज़ डाइऑक्साइड, जिंक‑एयर, जिंक‑ब्रोमीन, और जिंक‑आयन बैटरियां शामिल हैं। हालांकि, ये अक्षम हैं, कभी‑कभी अप्रत्याशित रासायनिक परिवर्तन प्रतिक्रियाओं में शामिल होती हैं, और निर्माण में महंगी होती हैं, इसलिए अधिक शोध की आवश्यकता है।

जैसे-जैसे दुनिया बैटरियों पर अधिक निर्भर हो रही है, वैज्ञानिक वैश्विक स्तर पर इनके भंडारण समय, पावर आउटपुट, उत्पादन लागत, और त्वरित उपलब्धता में प्रगति हासिल करने पर केंद्रित हैं।

नवीनतम बैटरी प्रगति: रॉक सॉल्ट‑पॉलीएनियन कैथोड्स 

नई शोध ने बैटरी की व्यावहारिक ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने में एक उन्नति की है। पिछले महीने के अंत में नेचर एनर्जी में प्रकाशित अध्ययन, जिसका शीर्षक “इंटीग्रेटेड रॉकसॉल्ट‑पॉलीएनियन कैथोड्स विद एक्सेस लिथियम एंड स्टेबलाइज़्ड साइक्लिंग,” MIT के डिपार्टमेंट ऑफ न्यूक्लियर साइंस एंड इंजीनियरिंग द्वारा किया गया था।

यह अध्ययन एक नई कैथोड सामग्री पर केंद्रित है जो अव्यवस्थित रॉक सॉल्ट में पाई गई है, जिसे एक उन्नत कैथोड सामग्री के रूप में एक दशक से अधिक समय से लिथियम‑आयन बैटरियों में उपयोग के लिए अध्ययन किया जा रहा है। 

MIT के शोधकर्ताओं ने सुनिश्चित किया कि यह सामग्री इलेक्ट्रिक वाहनों, मोबाइल फ़ोनों, और नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण के लिए उच्च‑ऊर्जा, कम‑लागत वाला भंडारण बना सके।

टोक्यो इलेक्ट्रिक पावर कंपनी के प्रोफेसर ऑफ न्यूक्लियर इंजीनियरिंग, जू ली के नेतृत्व में, टीम ने DRXPS, या डिसऑर्डर्ड रॉक सॉल्ट‑पॉलीएनियन स्पिनेल, को नई सामग्री के रूप में खोजा।

पॉलीएनियनों के साथ एकीकृत इस नई आंशिक रूप से अव्यवस्थित रॉक सॉल्ट कैथोड श्रेणी ने उच्च वोल्टेज पर उच्च ऊर्जा घनत्व और बेहतर साइक्लिंग स्थिरता प्रदान की है। यह एक बड़ी उपलब्धि है, क्योंकि आमतौर पर कैथोड सामग्री में ऊर्जा घनत्व और साइक्लिंग स्थिरता के बीच समझौता होता है।

“इस कार्य के साथ, हम नई कैथोड रसायनों को डिजाइन करके सीमा को आगे बढ़ाने का लक्ष्य रखते हैं।”

– यिमेंग हुआंग, पेपर के प्रथम लेखक, NSE में पोस्टडॉक

अब, यह नई सामग्री परिवार कैसे उच्च ऊर्जा घनत्व और अच्छा साइक्लिंग स्थिरता दोनों हासिल कर पाती है? उत्तर दो मुख्य कैथोड सामग्री — रॉक सॉल्ट और पॉलीएनियन ओलिविन — के एकीकरण में निहित है। इन्हें मिलाकर दोनों के लाभ प्राप्त किए गए।

यहाँ एक और महत्वपूर्ण तत्व मैंगनीज़ (Mn) है, जो पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला एक कठोर, चांदी जैसा धातु है और आज के कैथोड में उपयोग होने वाले अन्य तत्वों की तुलना में बहुत सस्ता है। 

उदाहरण के लिए, मैंगनीज़ कोबाल्ट (Co) से लगभग तीस गुना सस्ता और निकल (Ni) से पाँच गुना सस्ता है, दोनों का बैटरियों में आमतौर पर उपयोग होता है। इसके अतिरिक्त, मैंगनीज़ उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। 

“(ऐसी) सामग्री का अधिक पृथ्वी‑उपलब्ध होना एक अत्यधिक लाभ है।”

– ली, मैटेरियल साइंस एंड इंजीनियरिंग के प्रोफेसर

शोधकर्ताओं के अनुसार, यह लाभ शून्य‑कार्बन भविष्य के लिए अत्यधिक मूल्यवान है, जिसके लिए नवीकरणीय ऊर्जा बुनियादी ढांचा आवश्यक है। 

बैटरियां इस परिवर्तन में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती हैं, क्योंकि वे इलेक्ट्रिक वाहनों के माध्यम से परिवहन को डी‑कार्बनाइज़ करने और सौर व पवन ऊर्जा की अनियमितता को संबोधित करने की क्षमता रखती हैं। चूंकि ये नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत 24/7 उपलब्ध नहीं होते, ऊर्जा भंडारण आवश्यक है ताकि रात या बादल‑छाए और शांत दिनों में भी बिजली उपलब्ध हो सके।

शोधकर्ता यह भी इंगित करते हैं कि कोबाल्ट और निकल जैसी सामग्री अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगी हैं। इन्हें तेज़ी से इलेक्ट्रिक भंडारण क्षमता को स्केल‑अप करने के लिए उपयोग करने से लागत में बड़े उछाल और संभावित सामग्री की कमी हो सकती है। ली के अनुसार:

“यदि हम ऊर्जा उत्पादन, परिवहन, और अन्य क्षेत्रों की सच्ची इलेक्ट्रिफिकेशन चाहते हैं, तो हमें अंतराल वाले फोटोवोल्टाइक और पवन शक्ति को संग्रहीत करने के लिए पृथ्वी‑उपलब्ध बैटरियों की आवश्यकता है। मुझे लगता है यह उस सपने की ओर एक कदम है।”

वर्तमान सामग्री में ऑक्सीजन गतिशीलता की बाधा को पार करना

होंडा रिसर्च इंस्टिट्यूट यूएसए इंक. और लॉरेंस बर्कले नेशनल लैबोरेटरी के मॉलेक्यूलर फाउंड्री द्वारा वित्तपोषित, इस अध्ययन ने अव्यवस्थित रॉक सॉल्ट कैथोड्स के सामने आने वाली प्रमुख चुनौतियों में से एक को संबोधित किया।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया, इस सामग्री का अत्यधिक उच्च क्षमता के लिए अध्ययन किया गया है। पारंपरिक कैथोड सामग्री, जिनकी क्षमता 190‑200 मिलीऐम्पेयर‑घंटा प्रति ग्राम होती है, की तुलना में यह सामग्री 350 मिलीऐम्पेयर‑घंटा प्रति ग्राम तक की क्षमता प्रदान करती है।

हालांकि, अत्यधिक उच्च क्षमता प्रदान करने के बावजूद, यह सामग्री बहुत स्थिर नहीं है। यह आंशिक रूप से ऑक्सीजन रेडॉक्स के कारण है, जो कैथोड सामग्री में ऑक्सीजन परमाणुओं के निकट इलेक्ट्रॉन घनत्व को उपयोग करने की प्रक्रिया है। 

ऑक्सीजन रेडॉक्स तब सक्रिय हो जाता है जब कैथोड को उच्च वोल्टेज पर चार्ज किया जाता है, जिससे ऑक्सीजन गतिशील हो जाता है, जो फिर इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है और सामग्री का क्षय करता है। यह लंबे समय तक साइक्लिंग के बाद सामग्री को बेकार बना देता है।

इन चुनौतियों को पार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सामग्री में एक और तत्व जोड़ा: फॉस्फोरस (P), एक मुलायम, मोम जैसा ठोस जो चिपकने वाले की तरह काम करता है, ऑक्सीजन को जगह पर रखता है और सामग्री के क्षय को कम करता है। 

लेकिन केवल फॉस्फोरस जोड़ना पर्याप्त नहीं है। सबसे महत्वपूर्ण नवाचार सही मात्रा में फॉस्फोरस जोड़ना है। उचित मात्रा में P जोड़ने से “पॉलीएनियन” बनते हैं जो अपने पड़ोसी ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ एक कैशन‑डिफिशिएंट रॉक सॉल्ट संरचना में बंधते हैं, जैसा कि ली ने बताया।

ऑक्सीजन और फॉस्फोरस के बीच मजबूत सहसंयोजक बंधन शोधकर्ताओं को ऑक्सीजन के परिवहन को समाप्त करने में सक्षम बनाता है। इस तरह, उन्होंने ऑक्सीजन द्वारा योगदानित क्षमता का उपयोग किया और साथ ही अच्छी स्थिरता हासिल की।

उच्च वोल्टेज पर बैटरियों को चार्ज करने की यह क्षमता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ऊर्जा को प्रबंधित करने वाले सिस्टम को सरल बनाती है।

“आप कह सकते हैं कि ऊर्जा की गुणवत्ता उच्च है। सेल प्रति वोल्टेज जितना अधिक होगा, बैटरी पैक में उन्हें श्रृंखला में जोड़ने की आवश्यकता उतनी ही कम होगी, और बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम उतना ही सरल होगा।”

– ली

यह अध्ययन केवल शुरुआत है, क्योंकि टीम अब मैंगनीज़, लिथियम, ऑक्सीजन, और फॉस्फोरस के विभिन्न अनुपातों के साथ-साथ सिलिकॉन, सल्फर, और बोरॉन जैसे अन्य पॉलीएनियन‑निर्माण तत्वों के विभिन्न संयोजनों की खोज करेगी।

आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ता सामग्री को निर्मित करने के नए तरीकों की भी जांच करेंगे, विशेष रूप से स्केलेबिलिटी और रूप‑रचना (मॉर्फोलॉजी) पर ध्यान केंद्रित करेंगे। वर्तमान अध्ययन मैकेनोकैमिकल संश्लेषण के लिए हाई‑एनर्जी बॉल मिलिंग का उपयोग करता है, जिससे लगभग 150 नैनोमीटर आकार के असमान रूप‑रचना वाले कण बनते हैं, जो औसतन छोटा है। इसके अलावा, उनका वर्तमान तरीका वास्तव में स्केलेबल नहीं है। 

इसलिए, शोधकर्ता अब वैकल्पिक संश्लेषण विधियों को आज़मा रहे हैं ताकि अधिक समान रूप‑रचना और बड़े आकार के कण प्राप्त हो सकें। यह सामग्री की आयतनिक ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने में मदद करेगा और संभवतः कुछ कोटिंग विधियों को आज़माने की अनुमति देगा जो बैटरी के प्रदर्शन को सुधार सकती हैं। भविष्य की विधियों को औद्योगिक स्तर पर स्केलेबल भी होना चाहिए।

एक अन्य समस्या चालकता है, जिसे अव्यवस्थित रॉक सॉल्ट सामग्री में कार्बन की महत्वपूर्ण मात्रा जोड़कर बढ़ाया गया था। वास्तव में, कार्बन कैथोड पेस्ट के वजन का 20 प्रतिशत बनाता था, क्योंकि स्वयं सामग्री बहुत अच्छी चालक नहीं है। 

इसलिए, शोधकर्ता इलेक्ट्रोड में कार्बन सामग्री को कम करने की दिशा में आगे भी देखेंगे। यदि वे बैटरी के प्रदर्शन को नुकसान पहुंचाए बिना इसे हासिल कर सकते हैं, तो वे सक्रिय सामग्री की मात्रा बढ़ाकर व्यावहारिक ऊर्जा घनत्व को बढ़ा सकते हैं।

इस लक्ष्य के लिए, वे कार्बन नैनोट्यूब्स का उपयोग करने पर विचार कर रहे हैं, जिससे वजन के हिसाब से कार्बन सामग्री केवल एक या दो प्रतिशत तक घटाई जा सकती है, जिससे सक्रिय कैथोड सामग्री में उल्लेखनीय वृद्धि होगी। वर्तमान अध्ययन ने हालांकि सुपर P का उपयोग किया, जो नैनोस्फीयर‑आधारित एक चालक कार्बन है, जो कम प्रभावी है।

एक और सुधार मोटे इलेक्ट्रोड का उपयोग करना है, जिससे बैटरी की व्यावहारिक ऊर्जा घनत्व और बढ़ेगी।

एक बार जब टीम सामग्री संरचना को अनुकूलित कर लेगी, मोटे इलेक्ट्रोड विकसित करेगी, समान कोटिंग के लिए बेहतर रूप‑रचना हासिल करेगी, कार्बन सामग्री को घटाएगी, और स्केलेबल संश्लेषण विधियों को अपनाएगी, तो वे DRXPS कैथोड परिवार को इलेक्ट्रिक वाहनों, ग्रिड भंडारण, और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए अत्यधिक आशाजनक मानते हैं।

बैटरियों के क्षेत्र में अग्रसर कंपनियां

कई कंपनियां इस क्षेत्र को आगे बढ़ाने में मदद कर रही हैं, और यहां तक कि और अधिक इन विकासों से लाभान्वित हो सकती हैं।  (LAC )

उमिकोर (UMICY) एक ऐसी कंपनी है जो बैटरी सामग्री, विशेषकर कैथोड तकनीकों में शामिल है, और सतत एवं उन्नत सामग्री पर ध्यान केंद्रित करती है। वहीं, लिथियम अमेरिकास कॉर्प. (LAC) एक लिथियम आपूर्तिकर्ता है, और वैले (VALE) आयरन और मैंगनीज़ का प्रमुख वैश्विक उत्पादक है। अब, चलिए कुछ अन्य प्रमुख नामों पर नज़र डालते हैं:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

एक मुख्य लिथियम उत्पादक, Albemarle, ने बैटरी तकनीकों को विकसित किया है जो ऊर्जा घनत्व को बढ़ाते हैं ताकि वजन घटे और रेंज बढ़े। यह इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों के लिए लिथियम का विश्व का एक बड़ा आपूर्तिकर्ता है। कंपनी की स्वच्छ ऊर्जा की मांग को पूरा करने वाली पेशकशों में कैथोड समाधान, एनोड समाधान, इलेक्ट्रोलाइट समाधान, और बैटरी केसिंग शामिल हैं।

9.84 बिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, Albemarle का स्टॉक वर्तमान में $83.66 पर ट्रेड हो रहा है, जो YTD में 41.6% गिरा है। इसका EPS (TTM) -4.73 है, P/E (TTM) -17.67, और डिविडेंड यील्ड 1.94% है। 2024 की दूसरी तिमाही में, कंपनी शुद्ध बिक्री $1.4 बिलियन और समायोजित EBITDA $386 मिलियन की रिपोर्ट करती है। ऑपरेशन्स से नकदी $363 मिलियन थी, जो पिछले वर्ष $289 मिलियन से बढ़ी है। Albemarle ने 150 मिलियन डॉलर से अधिक उत्पादन लाभ भी प्रदान किया।

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) सॉलिड‑स्टेट लिथियम‑मेटल बैटरियों का विकासकर्ता है, जिसका लक्ष्य ऊर्जा भंडारण को बदलना है। कंपनी ने उद्योग की पहली एनोड‑लेस सेल डिज़ाइन विकसित की है, जो सामग्री लागत को कम करती है और उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान करती है। इस वर्ष, QuantumScape ने Volkswagen की बैटरी कंपनी, PowerCo के साथ साझेदारी की, जिससे उन्हें QuantumScape की तकनीक प्लेटफ़ॉर्म पर आधारित बैटरी सेल्स को बड़े पैमाने पर उत्पादन करने का लाइसेंस मिला।

2.75 बिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, QuantumScape का स्टॉक वर्तमान में $5.51 पर ट्रेड हो रहा है, जो YTD में 19.78% गिरा है। इसका EPS (TTM) -0.95 है और P/E (TTM) -5.78 है। 2024 की दूसरी तिमाही में, कंपनी ने पूंजी व्यय $18.9 मिलियन की रिपोर्ट की, जबकि GAAP ऑपरेटिंग खर्च $134.5 मिलियन था। तरलता तिमाही के अंत में $938 मिलियन थी।

निष्कर्ष

बैटरियों के व्यापक उपयोग और बाजार आकार को देखते हुए, नई और उन्नत बैटरी तकनीकों पर भारी शोध और विकास किया जा रहा है। जैसा कि हमने नवीनतम अध्ययन में देखा, नई कैथोड सामग्री ने “1,100 Wh kg⁻¹ से अधिक ग्रैविमेट्रिक ऊर्जा घनत्व और 100 साइक्लों पर >70% प्रतिधारण” दिखाया, जिससे मैंगनीज़ और आयरन जैसे पृथ्वी‑उपलब्ध तत्वों से बने बैटरी कैथोड के लिए द्वार खुलते हैं।

चूंकि लिथियम‑आयन बैटरियों को स्वच्छ ऊर्जा संक्रमण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा माना जाता है, ऐसे अध्ययन उनकी निरंतर वृद्धि और कीमत में कमी को “सस्ती, उच्च‑प्रदर्शन कैथोड सामग्री” विकसित करके सुनिश्चित करते हैं। 

यह ऊर्जा भंडारण के लिए एक आशाजनक भविष्य की ओर संकेत करता है, जिसमें बढ़ती वैश्विक मांग को पूरा करने की क्षमता है, जबकि पर्यावरणीय प्रभाव को न्यूनतम किया जा रहा है।

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