ऊर्जा
EV बैटरी में क्षमता और आवेश की हानि: हाइड्रोजन की भूमिका पर नया शोध
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बैटरियों की ऊर्जा का नुकसान
लिथियम-आयन बैटरियों का इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों में व्यापक उपयोग होता है, लेकिन उनके क्षरण की कुछ प्रक्रियाएँ अभी शोध का विषय हैं। स्व-निर्वहन में बिना उपयोग के भी संचित आवेश घटता है। यह स्थायी क्षमता-क्षरण से अलग घटना है, हालाँकि दोनों जुड़े हो सकते हैं। बैटरी की आयु सामग्री, तापमान और उपयोग पर निर्भर करती है; हर बैटरी की सीमा सात से दस वर्ष नहीं होती।
कोबाल्ट कम करने वाली या उससे मुक्त रसायन प्रणालियों में भी स्थिरता और आयु महत्वपूर्ण हैं। कोबाल्ट की लागत और कुछ खनन क्षेत्रों में मानवाधिकार संबंधी चिंताओं के कारण वैकल्पिक सामग्री विकसित की जा रही है।
स्व-निर्वहन के प्रचलित मॉडल में इलेक्ट्रोलाइट से कैथोड की ओर लिथियम आयनों के प्रसार पर ध्यान दिया गया था। नए शोध ने एक अतिरिक्त प्रतिक्रिया-मार्ग पहचाना; इससे सभी पुराने निष्कर्ष गलत नहीं हो जाते।
शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कार्बोनेट-आधारित विलायक से स्तरित कैथोड ऑक्साइड में हाइड्रोजन का स्थानांतरण स्व-निर्वहन करा सकता है। प्रोटॉन यानी हाइड्रोजन नाभिक से जुड़े इस मार्ग को समझने से सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट का डिज़ाइन सुधारने में मदद मिल सकती है।
उन्होंने Science में “स्तरित कैथोड में विलायक-मध्यस्थित ऑक्साइड हाइड्रोजनीकरण” शीर्षक से निष्कर्ष प्रकाशित किए।
इस सहयोगी अध्ययन में कोलोराडो विश्वविद्यालय, DEVCOM आर्मी रिसर्च लैबोरेटरी, SLAC, आर्गन, पैसिफ़िक नॉर्थवेस्ट और लॉरेंस बर्कली राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं, ह्यूस्टन विश्वविद्यालय, NREL, ओरेगन स्टेट विश्वविद्यालय, स्टैनफ़ोर्ड और नेशनल ताइवान यूनिवर्सिटी सहित कई संस्थानों के शोधकर्ता शामिल थे।
मूल सिद्धांत
डिस्चार्ज के समय लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट से होकर ऋणात्मक इलेक्ट्रोड से धनात्मक इलेक्ट्रोड की ओर जाते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ से बहते हैं। चार्ज करते समय प्रक्रिया उलटती है। आयनों का आंतरिक प्रवाह और इलेक्ट्रॉनों का बाहरी प्रवाह अलग रास्तों से होता है।
स्रोत: ResearchGate
स्व-निर्वहन के पुराने मॉडल में इलेक्ट्रोलाइट से कैथोड में लिथियम आयनों का प्रवेश महत्वपूर्ण माना गया था। स्थायी क्षमता-क्षरण में सक्रिय लिथियम का नुकसान, इलेक्ट्रोड की संरचनात्मक क्षति और अन्य कई प्रक्रियाएँ भी शामिल होती हैं।
बैटरी सुधार में आयन परिवहन और इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं को स्थिर बनाने का प्रयास जारी है। नया अध्ययन इस समझ में हाइड्रोजन स्थानांतरण का एक और मार्ग जोड़ता है।
कैथोड में हाइड्रोजन का प्रवेश
शोधकर्ताओं ने अमेरिका की आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में शक्तिशाली एक्स-रे उपकरणों और अन्य विश्लेषण विधियों से सामग्री का अध्ययन किया।
उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रोलाइट के विलायक से आया हाइड्रोजन लिथियम-रहित या लिथियम-कम कैथोड ऑक्साइड में प्रवेश कर सकता है। यह कहना सटीक नहीं कि हाइड्रोजन गैस के अणु सीधे अंदर जाकर हर लिथियम आयन की जगह ले लेते हैं।
अध्ययन का प्रमुख विषय स्तरित संक्रमण-धातु ऑक्साइड कैथोड था।
प्रक्रिया से प्रोटॉन और लिथियम की सांद्रता में विपरीत ढाल तथा रासायनिक और संरचनात्मक असमानता बन सकती है, जो सामग्री के क्षरण को बढ़ावा देती है।
इसलिए हाइड्रोजन स्थानांतरण आवेश की हानि और कैथोड की स्थिरता दोनों को प्रभावित कर सकता है। लेकिन बैटरी के सभी प्रकार के क्षरण का एकमात्र कारण हाइड्रोजन नहीं है।
संभावित उपयोग
EV सीमाओं का समाधान
EV बैटरियों में रेंज, कीमत, सुरक्षा और आयु के बीच संतुलन महत्वपूर्ण है। कोबाल्ट-मुक्त LFP जैसे विकल्प पहले से व्यापक उपयोग में हैं। अलग रसायन प्रणालियों के अलग लाभ और सीमाएँ हैं।
बैटरी बदलने की संभावित लागत खरीदारों की चिंता हो सकती है। उसका वास्तविक जोखिम वाहन, वारंटी, उपयोग और बैटरी की स्थिति पर निर्भर करता है।
बैटरी बदलने में नए पदार्थ, निर्माण ऊर्जा और पुनर्चक्रण की आवश्यकता होती है। आयु बढ़ाने से इन पर्यावरणीय प्रभावों को कम करने में मदद मिल सकती है।
कैथोड की आयु में सुधार
हाइड्रोजन स्थानांतरण के इस मार्ग को समझकर कैथोड पर सुरक्षा परत या सतह-उपचार जैसे उपायों की जाँच की जा सकती है। वास्तविक बैटरियों में इनके लाभ का सत्यापन आवश्यक है।
ऐसे इलेक्ट्रोलाइट विकसित करना भी संभावित उपाय है जिनके विलायक से हाइड्रोजन स्थानांतरण कम हो। यह कहना अलग बात है कि वे कभी किसी रूप में हाइड्रोजन पैदा ही नहीं करेंगे।
सॉलिड-स्टेट बैटरियां
सॉलिड-स्टेट बैटरियों में भी इलेक्ट्रोलाइट होता है, लेकिन वह तरल के बजाय ठोस होता है। इसलिए अध्ययन में देखी गई कार्बोनेट-विलायक प्रतिक्रिया उनमें उसी रूप में नहीं भी हो सकती है।
इससे यह सिद्ध नहीं होता कि सभी ठोस इलेक्ट्रोलाइट हाइड्रोजन संबंधी समस्याओं या अन्य क्षरण से पूरी तरह मुक्त हैं। अध्ययन अकेले उनकी पूरी कार्यक्षमता की व्याख्या नहीं करता।
उन्नत बैटरी तकनीकों में निवेश
बैटरियाँ परिवहन और ऊर्जा प्रणालियों के विद्युतीकरण का महत्वपूर्ण आधार हैं। अधिक टिकाऊ, विश्वसनीय और सस्ती बैटरियाँ जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता कम करने में मदद कर सकती हैं।
बैटरी से जुड़ी कंपनियों में विभिन्न ब्रोकरों से निवेश किया जा सकता है। securities.io पर आप ब्रोकरों की तुलना पढ़ सकते हैं, जैसे अमेरिका, कनाडा, ऑस्ट्रेलिया, ब्रिटेन, और कई अन्य देशों.
व्यक्तिगत कंपनियाँ चुनने के बजाय बैटरी से जुड़े ETF देखे जा सकते हैं, जैसे Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X का Lithium & Battery Tech ETF (LIT), या WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, जो कई कंपनियों में निवेश का अवसर देते हैं। उनकी संरचना, खर्च और जोखिम अलग होते हैं; वे सीधे किसी एक बैटरी तकनीक में निवेश नहीं हैं।
आप हमारे “निवेश के लिए दस बैटरी कंपनियाँ” और “दस बैटरी धातु एवं नवीकरणीय ऊर्जा खनन कंपनियाँ” लेख भी पढ़ सकते हैं।
उन्नत बैटरी कंपनियां
1. CATL (300750.SZ)
CATL EV बैटरी निर्माण की बड़ी कंपनी है। उसके अनुसार 2023 में वैश्विक EV बैटरी स्थापना में उसकी हिस्सेदारी 36.8 % थी। यह दुनिया की सभी प्रकार की बैटरियों के आधे से अधिक उत्पादन के समान नहीं है।
कंपनी की लिथियम-आयन बैटरी में मजबूत स्थिति है और वह नई सामग्री तथा संरचनाएँ विकसित करती रहती है।
CATL ने अन्य बैटरी तकनीकों पर भी घोषणाएँ की हैं। नीचे दिए गए प्रदर्शन आँकड़े निर्माता की बताई परिस्थितियों और विकास चरणों पर निर्भर करते हैं:
- स्थिर ऊर्जा भंडारण के लिए 12,000 चक्र वाली लंबी आयु की बैटरी, तथा दीर्घकालिक लक्ष्य के रूप में 18,000 चक्र।
- LFP यानी लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट बैटरी, जिसके लिए 700 किमी रेंज और दस मिनट में 400 किमी चलने योग्य चार्ज का दावा किया गया। वास्तविक परिणाम वाहन, परीक्षण और उपयोग की स्थितियों पर निर्भर करते हैं।
- 500 Wh/kg ऊर्जा घनत्व वाली कंडेंस्ड बैटरी तकनीक, जिसमें विद्युत विमानन भी एक विकास लक्ष्य है। यह व्यावसायिक यात्री विमान की तत्परता का प्रमाण नहीं है।
- प्रारंभिक पीढ़ी में 160 Wh/kg वाली सोडियम-आयन बैटरी और भविष्य में 200 Wh/kg का लक्ष्य। घोषणा को सभी उत्पादों में बड़े पैमाने पर उपलब्धता नहीं समझना चाहिए।
स्रोत: CATL
CATL ने चीन में बैटरी पुनर्चक्रण क्षमता बढ़ाने के लिए बड़े निवेश की घोषणा की है। कंपनी निकेल, कोबाल्ट, मैंगनीज़ और लिथियम की उच्च पुनर्प्राप्ति दरें बताती है। ये विशिष्ट प्रक्रियाओं के आँकड़े हैं, हर इस्तेमाल की गई बैटरी से उतनी ही सामग्री वापस मिलने की गारंटी नहीं।
कंपनी का आकार और अनुसंधान उसे निर्माण तथा पुनर्चक्रण में महत्वपूर्ण बनाते हैं। प्रत्येक नई तकनीक के व्यावसायीकरण और लाभप्रदता को अलग से परखना होगा।
CATL के ग्राहकों और साझेदारों में Tesla (TSLA ), NIO, Ford और Stellantis जैसे वाहन निर्माता शामिल हैं। Hyundai के साथ भी उसके संबंध विकसित हुए हैं।
किसी एक सामग्री या निर्माण विधि से मिला ज्ञान दूसरी तकनीक में सहायक हो सकता है, लेकिन उसे सीधे लागू करना हमेशा संभव नहीं होता। पैमाने की बचत और प्रत्येक रसायन प्रणाली की विशिष्ट चुनौतियाँ अलग विषय हैं।
2. BYD (BYDDY)
BYD वाहन और बैटरी निर्माण की बड़ी कंपनी है, जो Tesla सहित कई निर्माताओं से प्रतिस्पर्धा करती है।
कंपनी पुनर्भरणीय बैटरी कारोबार से बढ़कर चीन में बड़ा EV व्यवसाय बना चुकी है और कई विदेशी बाजारों में विस्तार कर रही है। बिक्री की रैंकिंग देश, अवधि और वाहन श्रेणी के अनुसार बदलती है।
2023 में चीन वाहन निर्यात की संख्या में जापान से आगे निकला। BYD भी अंतरराष्ट्रीय विस्तार कर रही है और उसने हंगरी जैसे देशों में कारखानों की योजनाएँ घोषित की हैं।
Seagull जैसे अपेक्षाकृत सस्ते वाहन नए ग्राहकों तक पहुँचने का प्रयास हैं। Seagull में सोडियम-आयन के बजाय LFP आधारित Blade Battery है। कीमत बाजार और संस्करण पर निर्भर करती है।
LFP बैटरी बाजार में BYD CATL की प्रतिस्पर्धी है। बाजार हिस्सेदारी अवधि और स्थापना या उत्पादन जैसी गणना-पद्धति पर निर्भर करती है; चीन के किसी खंड का आँकड़ा पूरी दुनिया पर लागू नहीं होता।
यूरोप और अमेरिका में चीनी EV पर शुल्क और अन्य व्यापारिक उपाय BYD के विस्तार तथा लाभप्रदता को प्रभावित कर सकते हैं।
BYD दक्षिण अमेरिका, मध्य पूर्व और दक्षिण-पूर्व एशिया जैसे बाजारों में भी विस्तार कर रही है। प्रत्येक देश की अपनी नीतियाँ, वाहन उद्योग, चार्जिंग व्यवस्था और प्रतिस्पर्धा हैं।
इन बाजारों की बड़ी आबादी स्वतः खरीदारों की संख्या नहीं बन जाती। आय, मांग, सरकारी नीति, प्रतिस्पर्धा और सेवा नेटवर्क बिक्री को प्रभावित करेंगे।
स्थानीय उत्पादन परिवहन लागत और व्यापारिक बाधाओं से निपटने में मदद कर सकता है। लेकिन कारखानों और अनुपालन की लागत भी होती है, इसलिए प्रतिस्पर्धी लाभ अपने आप सुनिश्चित नहीं होता।
