लीथियम-आयन बैटरियों को उन्नत बनाना: नई ग्रैफ़ीन तकनीक में वर्तमान समाधान से 10 गुना अधिक थर्मल कंडक्टिविटी

ग्रैफ़ीन & बैटरियां

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose खोज को 2019 में रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया.

ऐसे एक वैकल्पिक विकल्प में ग्रैफ़ीन का उपयोग करने वाली बैटरियां शामिल हैं।

यह इसलिए है क्योंकि ग्रैफ़ीन एक “वंडर मैटेरियल” है, जो कार्बन परमाणुओं की एकल परत से बना है। यह इसे असाधारण विद्युत गुण प्रदान करता है। हमने ग्रैफ़ीन के बारे में, साथ ही बोरॉफ़ेन और गोल्डेन जैसे अन्य “2D सामग्री” के बारे में “2D सामग्री, जैसे ग्रैफ़ीन, मैटेरियल साइंसेज़ में नई सीमाएँ खोलते हैं” लेख में अधिक बताया था।

विद्युत गुण ही वह एकमात्र विशेषता नहीं हैं जो ग्रैफ़ीन को असाधारण बनाते हैं। यह अपनी थर्मल कंडक्टिविटी के लिए भी उल्लेखनीय है, जिससे यह गर्मी को अत्यंत तेज़ी से स्थानांतरित कर सकता है।

स्रोत: GMG

यह थर्मल गुण बैटरी तकनीक के लिए परिवर्तनकारी सिद्ध हो सकता है और, विरोधाभासी रूप से, ग्रैफ़ीन लिथियम-आयन बैटरियों को वैकल्पिक रसायनों, जिसमें ग्रैफ़ीन-आधारित बैटरियां भी शामिल हैं, के ऊपर प्रमुख बैटरी तकनीक बनाए रखने में मदद कर सकता है।

यह संभव है स्वानसी विश्वविद्यालय (यूके) के शोधकर्ताओं की खोज के कारण, जो वुहान यूनिवर्सिटी ऑफ़ टेक्नोलॉजी और शेनझेन यूनिवर्सिटी (चीन) के सहयोग से हुई। उन्होंने अपने परिणामों को नेचर केमिकल इंजीनियरिंग में प्रकाशित एक वैज्ञानिक पत्र में शीर्षक “बड़े पैमाने पर करंट कलेक्टर्स जो गर्मी के स्थानांतरण को नियंत्रित करते हैं और बैटरी सुरक्षा को बढ़ाते हैं” के तहत उजागर किया।

ग्रैफ़ीन सीमाएँ

सिद्धांत में, ग्रैफ़ीन एक वंडर मैटेरियल है जो कई उद्योगों में क्रांति लाना चाहिए, बैटरी निर्माण से लेकर बिजली का उपयोग करने वाली सभी चीज़ों तक, जिसमें कंप्यूटर और सोलर पैनल सहित और यहाँ तक कि कंक्रीट और हमारे रक्तप्रवाह में नैनोरोबोट।

व्यावहारिक रूप से, ग्रैफ़ीन को कुछ सीमाओं का सामना करना पड़ता है:

• उत्पादन पर पैमाना: ग्रेफाइट के एक टुकड़े पर स्कॉच टेप लगाना ग्रैफ़ीन की खोज के लिए पर्याप्त था। लेकिन बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) जैसी अधिक जटिल विधियों की आवश्यकता होती है।
• लागत: अधिकांश उत्पादन विधियां और मौजूदा उपकरणों में अनुप्रयोग मुख्यतः छोटे पैमाने या कस्टम होते हैं, और 2D सामग्री काफी महंगी रही हैं। वास्तविक कीमत शुद्धता के आधार पर बहुत बदल सकती है, उदाहरण के लिए ग्रैफ़ीन की कीमत $20-2,000/किग्रा के बीच होती है।

बिल्कुल, ये दो समस्याएँ आपस में जुड़ी हुई हैं, क्योंकि उत्पादन का छोटा पैमाना लागत को बढ़ाता है। अब तक, इसने ग्रैफ़ीन की बड़े पैमाने पर अपनाने में गंभीर बाधा उत्पन्न की है, जिससे इस सामग्री के अधिकांश वादे अभी भी अधूरे हैं, जबकि इसकी खोज 2004 में हुई थी, यानी 20 साल पहले।

ग्रैफ़ीन‑आधारित सामग्री को बड़े पैमाने पर उत्पादन करने की क्षमता लागत कम करने और औद्योगिक‑स्तर के अनुप्रयोगों को संभव बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

यह पूरी तरह से उत्पादन और तकनीकी समस्या है, क्योंकि ग्रैफ़ीन कार्बन से बना है, जो एक प्रचुर और सस्ता पदार्थ है। इसलिए इसे प्लेटिनम या पैलेडियम जैसे दुर्लभ धातुओं का उपयोग करने वाले हाइड्रोजन‑उत्पादक उत्प्रेरकों जैसी दुर्लभ सामग्री की समस्या नहीं होती।

इस प्रकार, ग्रैफ़ीन में हमारे ऊर्जा प्रणालियों को वास्तव में क्रांतिकारी रूप से बदलने की क्षमता है, बिना संसाधन क्षय की सीमाओं का सामना किए जब इसे बड़े पैमाने पर लागू किया जाता है।

ग्रैफ़ीन के किलोमीटर बनाना

बड़े‑पैमाने पर उत्पादन की यह समस्या वही है जिसे उपर्युक्त पत्र में शोधकर्ताओं ने आंशिक रूप से हल किया होने का दावा किया है।

शोधकर्ताओं का प्रकाशन “वाणिज्यिक पैमाने पर दोष‑रहित ग्रैफ़ीन फॉयल बनाने के लिए पहला सफल प्रोटोकॉल विवरण देता है”。

वैज्ञानिक पत्र में समझाया गया तरीका मीटर से किलोमीटर तक की लंबाई में ग्रैफ़ीन फॉयल बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

भले ही प्रयोगशाला सेटिंग बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए नहीं बनाई गई थी, उन्होंने 17 माइक्रोमीटर मोटाई वाली 200‑मीटर लंबी ग्रैफ़ीन फॉयल बनाना सफल किया।

यह फॉयल भी उल्लेखनीय रूप से टिकाऊ है और 100,000 बार मोड़ने के बाद भी उच्च विद्युत चालकता बनाए रखने का प्रदर्शन किया गया।

इसलिए यह सुरक्षित रूप से माना जा सकता है कि इसे लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, औद्योगिक निर्माण, और अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग करना संभव होगा जहाँ ग्रैफ़ीन का उपयोग शक्तिशाली धारा प्रदान करने के लिए किया जाता है।

ग्रैफ़ीन फॉयल क्या कर सकती हैं?

लिथियम-आयन बैटरियां एक प्रमुख जोखिम, जिसे थर्मल रनवे कहा जाता है, के प्रति संवेदनशील होती हैं। यह तब होता है जब बैटरी के किसी हिस्से में अत्यधिक गर्मी जमा हो जाती है, जिससे अक्सर खतरनाक आग या विस्फोट के साथ बैटरी विफलता होती है।

यह समस्या कई शोधकर्ताओं और बैटरी कंपनियों के लिथियम-आयन से आगे देख रहे होने के प्रमुख कारणों में से एक है, जैसे सोडियम-आयन जैसी वैकल्पिक रसायन विज्ञान। कई वैकल्पिक समाधान खोजे जा रहे हैं, उदाहरण के लिए जेल इलेक्ट्रोलाइट्स।

थर्मल रनवे अधिकांशतः बैटरी के करंट कलेक्टर्स में होता है, जहाँ सबसे अधिक शक्ति केंद्रित होती है। वर्तमान लिथियम-आयन बैटरियों में, करंट कलेक्टर्स आमतौर पर एल्यूमीनियम या तांबे से बने होते हैं।

शोध द्वारा विकसित ग्रैफ़ीन करंट कलेक्टर्स, उनके ग्रैफ़ीन फॉयल के साथ, 1,400.8 W m⁻¹ K⁻¹ तक की थर्मल कंडक्टिविटी प्रदर्शित कर सकते हैं। तुलना के लिए, यह तांबे और एल्यूमीनियम‑आधारित करंट कलेक्टर्स से लगभग 10 गुना अधिक है।

स्रोत: Nature Chemical Engineering

 लिथियम-आयन बैटरियों के लिए प्रभाव

क्योंकि ग्रैफ़ीन फॉयल बहुत तेज़ गर्मी विसर्जन दिखाती है, यह धारा प्रवाहित होने पर स्थानीय गर्मी केंद्रित होने के जोखिम को समाप्त करती है।

परिणामस्वरूप, यह अल्युमिनोथर्मिक और हाइड्रोजन‑उत्पादन प्रतिक्रियाओं के जोखिम को हटाता है, जो बैटरी विफलता और आग के खतरे के प्रसार के महत्वपूर्ण चरण हैं।

“हमारी घनी, संरेखित ग्रैफ़ीन संरचना ज्वलनशील गैसों के निर्माण के खिलाफ एक मजबूत बाधा प्रदान करती है और बैटरी कोशिकाओं में ऑक्सीजन के प्रवेश को रोकती है, जो विनाशकारी विफलताओं से बचने के लिए महत्वपूर्ण है,”

Dr Jinlong Yang, co‑lead author

शायद अधिक महत्वपूर्ण यह है कि यह विधि पहले ही ग्रैफ़ीन फॉयल के बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ लागू करने योग्य सिद्ध हो चुकी है। इसलिए इसे मौजूदा बैटरी निर्माण प्रक्रियाओं में जल्दी से एकीकृत किया जा सकता है।

“यह बैटरी तकनीक के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। हमारी विधि ग्रैफ़ीन करंट कलेक्टर्स को ऐसे पैमाने और गुणवत्ता पर उत्पादन करने की अनुमति देती है जिसे व्यावसायिक बैटरी निर्माण में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। यह न केवल गर्मी को प्रभावी ढंग से प्रबंधित करके बैटरी सुरक्षा में सुधार करता है बल्कि ऊर्जा घनत्व और दीर्घायु को भी बढ़ाता है।”

Dr Rui Tan, co‑lead author

ग्रैफ़ीन फॉयल अनुप्रयोगों का भविष्य

शोधकर्ता पहले से ही ग्रैफ़ीन फॉयल की मोटाई कम करने और उनके यांत्रिक गुणों को और बेहतर बनाने के तरीकों की खोज कर रहे हैं।

वे यह भी देख रहे हैं कि ग्रैफ़ीन फॉयल बेहतर फ्लो बैटरियों और सोडियम-आयन बैटरियों के डिजाइन में कैसे मदद कर सकती है, स्वानसी विश्वविद्यालय की एक अन्य शोध टीम के साथ, प्रो. सेरेना मार्गोडोन्ना के नेतृत्व।

हमने पहले शहद-कोष्ठक लिथियम-आयन बैटरियों पर चर्चा की थी जो डेंड्राइट वृद्धि से बैटरी विफलता के जोखिम को हटाती हैं। यदि थर्मल रनवे को भी ग्रैफ़ीन फॉयल की मदद से दबाया जा सके, तो यह लिथियम-आयन बैटरियों को वर्तमान संस्करण की तुलना में बहुत अधिक सुरक्षित और टिकाऊ बना सकता है।

स्रोत: Chemistry Europe

यह समग्र रूप से बैटरी तकनीक के एक विशेष क्षेत्र में अधिकांश नवाचारों के पैटर्न का अनुसरण करता है, जिससे उन्हें अन्य डिज़ाइनों में उपयोग किया जा सकता है और उद्योग की तेज़ प्रगति को प्रोत्साहित किया जाता है।

(आप हमारे लेख “The Future of Mobility – Battery Tech” और “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” में बैटरी तकनीक के बारे में और अधिक जान सकते हैं।)

बैटरी तकनीक में निवेश

लिथियम-आयन 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 को सक्षम करके या पर्याप्त ऊर्जा घनत्व तक पहुंचने पर हवाई जहाज़ों को इलेक्ट्रिफ़ाई करने के द्वारा।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से बैटरी-संबंधी कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और यहाँ, securities.io पर, हम USA, कनाडा, ऑस्ट्रेलिया, यूके, और कई अन्य देशों में सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों की हमारी सिफ़ारिशें पा सकते हैं।

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

या आप हमारे लेख “Top 10 Battery Stocks To Invest In” और “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks” देख सकते हैं।

बैटरी कंपनियां

1. Veeco

Veeco 1945 में अपनी स्थापना के बाद से अर्धचालक निर्माण उद्योग को उपकरणों का प्रमुख आपूर्तिकर्ता रहा है। इसकी मशीनें उन्नत EUV चिप निर्माण, 5G एंटीना, हार्ड ड्राइव, LIDAR, LED, EVs के लिए पावर इलेक्ट्रॉनिक्स आदि के उत्पादन में उपयोग होती हैं।

स्रोत: Veeco

कंपनी का मुख्य तकनीकी फोकस वही CVD प्रक्रिया है जो बोरॉफ़ेन और कुछ ग्रैफ़ीन उत्पादन में उपयोग होती है, या अधिक सटीक रूप से, MOCVD (धातु‑ऑर्गेनिक रासायनिक वाष्प जमाव)।

स्रोत: Veeco

सेमिकंडक्टर उद्योग के इस विशेष खंड में एक नेता के रूप में, Veeco अधिक CVD अनुप्रयोगों के उदय पर दांव लगाने के लिए एक अच्छा उम्मीदवार हो सकता है।

ऐसी वृद्धि ग्रैफ़ीन, टंगस्टन और बोरॉफ़ेन के बढ़ते उपयोग से उत्पन्न हो सकती है, क्योंकि हम क्रमशः परमाणु स्तर पर पदार्थ को नियंत्रित करने में बेहतर होते जा रहे हैं। इसमें ग्रैफ़ीन पतली फिल्म, साथ ही संभावित ग्रैफ़ीन अर्धचालक, सुपरकंडक्टर आदि शामिल हैं।

यह डिजिटलाइजेशन, AI और इलेक्ट्रिफिकेशन के बड़े रुझानों से भी लाभान्वित होगा, चाहे वह बड़े पैमाने पर 2D सामग्री का उपयोग करे या न करे।

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG एक ग्रैफ़ीन निर्माता है जिसने अपने उत्पाद प्रस्ताव को पहले से सिद्ध ग्रैफ़ीन‑आधारित उत्पादों जैसे हीट कोटिंग और लुब्रिकेंट्स पर केंद्रित किया है।

यह GMG को उन निवेशकों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाता है जो ग्रैफ़ीन बाजार में प्रत्यक्ष एक्सपोज़र चाहते हैं और एक ऐसी कंपनी जो पहले से ही ग्रैफ़ीन का बड़े पैमाने पर उत्पादन और वर्तमान उत्पादन विधि को सुधार रही है।

स्रोत: GMG

कुछ आगे के अनुप्रयोगों में ग्रैफ़ीन अर्धचालक का निर्माण (देखें “ग्रैफ़ीन अर्धचालक – क्या वे अंततः यहाँ हैं?”), या यहाँ तक कि कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर शामिल हो सकते हैं। ग्रैफ़ीन कोटिंग बैटरियों और हाइड्रोजन प्रेशर वेसल तकनीकों में भी उपयोग हो सकती है।

स्रोत: GMG

GMG अपना ग्रैफ़ीन मीथेन + हाइड्रोजन से बनाता है, जो अधिकांश प्रतिस्पर्धियों से अलग है, जो इसे प्राकृतिक ग्रेफाइट जमा से बनाते हैं। इससे उच्च शुद्धता, अधिक स्केलेबिलिटी और कम लागत वाला उत्पादन संभव होता है।

कंपनी ने 2023 में ऑस्ट्रेलिया में अपनी पहली उत्पादन सुविधा शुरू की, जो प्रति वर्ष अधिकतम 1 मिलियन लीटर हीट एक्सचेंजर कोटिंग उत्पादन करती है।

कंपनी के लिए अगला कदम ग्रैफ़ीन एल्यूमीनियम आयन पर आधारित बैटरी तकनीक होगा, जिसकी ऊर्जा घनत्व 290 Wh/kg, लिथियम‑आयन बैटरियों की तुलना में 60 गुना तेज़ चार्जिंग, 3 गुना बैटरी जीवन, और बेहतर आग जोखिम प्रोफ़ाइल होगी।

स्रोत: GMG

बैटरी बाजार में यह प्रवेश GMG के लिए एक बड़ा जोखिम हो सकता है, लेकिन यह ग्रैफ़ीन के लिए खुलने वाले भविष्य के बाजार पर एक अनूठा दृष्टिकोण भी प्रदान करता है, जिसमें EV और अन्य पावर‑संबंधित अनुप्रयोग शामिल हैं।