ऊर्जा
हनीकॉम्ब संरचना वाली बैटरी: CATL के नए डिज़ाइन और उनके संभावित लाभ
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विद्युतीकरण को आगे बढ़ाती बैटरियाँ
बैटरी प्रौद्योगिकी कई क्षेत्रों में बदलाव ला रही है। इलेक्ट्रिक वाहन इसका प्रमुख उदाहरण हैं; ड्रोन और बिजली भंडारण में भी उन्नत बैटरियों की भूमिका बढ़ रही है। भविष्य की कुछ परिवहन और अंतरिक्ष अवधारणाओं, जैसे अंतरिक्ष प्रक्षेपण के लिए मास ड्राइवर, में भी ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता हो सकती है, लेकिन ये सभी अवधारणाएँ बैटरी पर निर्भर या व्यावसायिक रूप से सिद्ध नहीं हैं।
बैटरियाँ बिजली ग्रिड में सौर और पवन ऊर्जा के उतार-चढ़ाव को संतुलित करने में मदद कर सकती हैं। वे अतिरिक्त उत्पादन को संग्रहित करके बाद में उपलब्ध कराती हैं; लंबे समय तक उत्पादन कम रहने पर अन्य संसाधनों की भी आवश्यकता हो सकती है।
स्रोत: Statista
अभी तक, बैटरी तकनीक लिथियम-आयन तकनीक द्वारा संचालित रही है, एक खोज इतनी आवश्यक थी कि इसे 2019 में रसायन विज्ञान में नॉबेल पुरस्कार मिला (आप हमारे समर्पित लेख में इसके इतिहास के बारे में अधिक पढ़ सकते हैं ).
लिथियम-आयन बैटरियाँ समय के साथ कई कारणों से खराब होती हैं। प्रतिकूल चार्जिंग परिस्थितियों में एनोड पर धात्विक लिथियम जम सकती है और कभी-कभी डेंड्राइट जैसी संरचनाएँ बन सकती हैं। ये विभाजक को क्षति पहुँचाकर शॉर्ट सर्किट पैदा कर सकती हैं। ऐसा हर चार्ज चक्र में अनिवार्य रूप से नहीं होता। कई लिथियम-आयन बैटरियों का ज्वलनशील कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट भी आग के जोखिम में योगदान देता है।
LFP का अर्थ लिथियम आयरन फॉस्फेट है। इसका कैथोड कई अन्य लिथियम-आयन रसायनों से अधिक ऊष्मीय रूप से स्थिर होता है, लेकिन इससे पूरी बैटरी जोखिम-मुक्त नहीं हो जाती।
स्रोत: Nobel Prize
विकल्पों में सोडियम-आयन जैसे अलग रसायन और सॉलिड-स्टेट जैसे अलग विन्यास शामिल हैं। सॉलिड-स्टेट बैटरियों में इलेक्ट्रोलाइट अनुपस्थित नहीं होता; उसमें तरल के स्थान पर ठोस इलेक्ट्रोलाइट होता है।
CATL ने 2024 में कई अलग उत्पाद घोषणाएँ कीं। Shenxing PLUS में हनीकॉम्ब जैसी एनोड संरचना बताई गई, जबकि TENER स्थिर ऊर्जा भंडारण प्रणाली के लिए पहले पाँच वर्षों में क्षमता और शक्ति में गिरावट न होने का दावा किया गया। इन दोनों घोषणाओं को एक ही सिद्ध पाँच-वर्षीय हनीकॉम्ब परीक्षण का परिणाम नहीं मानना चाहिए।
ये सुधार मौजूदा लिथियम-आयन प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ा सकते हैं। हालांकि अलग उत्पादों की सेल और पैक स्तर की ऊर्जा घनत्व तथा परीक्षण परिस्थितियों की तुलना किए बिना इन्हें सॉलिड-स्टेट से श्रेष्ठ नहीं कहा जा सकता।
हनीकॉम्ब संरचना की भूमिका
चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान इलेक्ट्रोड सामग्री का फैलना और सिकुड़ना उसके क्षरण का एक कारण है। यह लिथियम प्लेटिंग या डेंड्राइट बनने का एकमात्र कारण नहीं है।
आयतन में बदलाव सॉलिड-स्टेट बैटरियों में भी चुनौती हो सकता है। CATL के अनुसार, Shenxing PLUS के एनोड में त्रिआयामी हनीकॉम्ब जैसी सामग्री चार्जिंग के दौरान होने वाले विस्तार को नियंत्रित करने में मदद करती है।
यह विचार पूरी तरह नया नहीं है, क्योंकि इसे पहले ही शोधकर्ताओं ने प्रस्तावित किया था, उदाहरण के लिए 2020 के एक वैज्ञानिक पेपर में जिसका शीर्षक है “नई माइक्रो-हनीकॉम्ब संरचना पर आधारित खिंचने योग्य लिथियम-आयन बैटरी”।
स्रोत: Phys.org
कंपनी ने Shenxing PLUS LFP बैटरी की घोषणा की, जिसके बारे में कंपनी ने उपयुक्त परिस्थितियों में 10 मिनट की चार्जिंग से 600 किमी की रेंज जुड़ने का दावा किया। कंपनी ने 1,000 किमी से अधिक कुल रेंज भी बताई, लेकिन वास्तविक दूरी वाहन, परीक्षण चक्र, तापमान और ड्राइविंग पर निर्भर करेगी। यह हर परिस्थिति में रेंज संबंधी चिंता समाप्त करने की गारंटी नहीं है।
600 किमी प्रति 10 मिनट का औसत लगभग एक किमी प्रति सेकंड है। फिर भी उससे पूरी 1,000 किमी की क्षमता 16.6 मिनट में भरने का निष्कर्ष नहीं निकलता, क्योंकि चार्जिंग की गति पूरी प्रक्रिया में स्थिर नहीं रहती।
ऊर्जा घनत्व में सुधार
CATL के अनुसार, Shenxing PLUS की बैटरी प्रणाली का ऊर्जा घनत्व 205 Wh/kg तक पहुँचता है। यह विशिष्ट प्रणाली का आँकड़ा है, सभी बैटरी रसायनों का सार्वभौमिक रिकॉर्ड नहीं।
कंपनी हनीकॉम्ब जैसी एनोड संरचना को विस्तार नियंत्रित करने वाले सुधारों में गिनती है। ऊर्जा घनत्व में बढ़ोतरी अन्य सामग्री और पैक संबंधी बदलावों से भी जुड़ी है।
निर्माण प्रक्रिया के सभी विवरण सार्वजनिक नहीं हैं। प्रतिस्पर्धी उत्पादों, जैसे BYD की अगली पीढ़ी की Blade बैटरी के लिए रिपोर्ट किए गए 190 Wh/kg के लक्ष्य, की तुलना करते समय यह देखना आवश्यक है कि आँकड़ा सेल का है या पूरी प्रणाली का, और क्या वह लक्ष्य है या मापा गया परिणाम।
निर्माण रहस्य
CATL ने कणों के आकार के संयोजन और नैनोमीटर स्तर के आवरण जैसी तकनीकों का उल्लेख किया। कंपनी ने तेज़ लिथियम-आयन परिवहन को बढ़ावा देने वाले आवरण भी बताए, जो इलेक्ट्रोडों के बीच आयनों की गति सुधारने के लिए हैं। इसका अर्थ यह नहीं कि प्रत्येक कण को मनचाही जगह रखने की पूरी प्रक्रिया सार्वजनिक रूप से सिद्ध की गई है।
CATL के कारखानों में व्यापक स्वचालन है। उत्पादन की प्रति सेकंड दर किस सेल, लाइन और अवधि से संबंधित है, इसे पूरी कंपनी या प्रत्येक उत्पाद पर लागू नहीं करना चाहिए।
2021 के एक वैज्ञानिक अध्ययन में हनीकॉम्ब संरचनाओं के कम घनत्व और दबाव तथा कतरनी बलों के प्रति उपयोगी यांत्रिक गुणों पर चर्चा की गई है। ये गुण सामग्री और संरचना के विन्यास पर निर्भर करते हैं।
उस शोध में हनीकॉम्ब ग्राफीन संरचना ने सिलिकॉन नैनोकणों के एकत्रीकरण को सीमित करने, विद्युत चालकता सुधारने और लिथियम आयनों के परिवहन का प्रतिरोध घटाने में मदद की।
ऐसी संरचनाएँ बनाने के कुछ शोध तरीके ऊष्मीय और रासायनिक उपचारों पर आधारित हैं। इससे यह सिद्ध नहीं होता कि CATL की व्यावसायिक प्रक्रिया वही है।
स्रोत: Chemistry Europe
स्रोत: Chemistry Europe
अन्य सुधार
बैटरी में सामग्री, पैकिंग और ताप प्रबंधन के सुधार एक साथ उपयोगी हो सकते हैं। अधिक ऊर्जा घनत्व से समान रेंज के लिए बैटरी का आकार या वजन घटाया जा सकता है, लेकिन वाहन स्तर के परिणाम अन्य कारकों पर भी निर्भर करते हैं।
CATL ने अनुकूलित सेल-टू-बॉडी एकीकरण से आयतन उपयोग की दक्षता में 7% सुधार का भी दावा किया। यह सुधार बैटरी पैक और वाहन संरचना में जगह के उपयोग से संबंधित है।
कंपनी ने बेहतर शीतलन और बैटरी प्रबंधन एल्गोरिद्म भी बताए। ये ताप और संचालन नियंत्रित करने में मदद कर सकते हैं, लेकिन किसी एल्गोरिद्म से पूर्ण सुरक्षा की गारंटी नहीं होती।
चार्जिंग इन्फ्रास्ट्रक्चर
EV चार्जिंग में स्टेशन की उपलब्धता, स्थान, विश्वसनीयता और क्षमता महत्वपूर्ण हैं। घर पर चार्जिंग और यात्रा की आदतें भी आवश्यक नेटवर्क को प्रभावित करती हैं; पेट्रोल पंपों जितनी संख्या ही एकमात्र समाधान नहीं है।
तेज़ चार्जिंग के लिए वाहन के साथ चार्जिंग स्टेशन और बिजली आपूर्ति की भी पर्याप्त क्षमता चाहिए। उदाहरण के लिए, 100 kWh बैटरी पर 4C की नाममात्र दर लगभग 400 kW के बराबर है। यह पूरी अवधि की स्थिर चार्जिंग या 1,000 किमी की रेंज 16 मिनट में मिलने की गारंटी नहीं है।
CATL ने 2024 में चीन में Shenxing तेज़ चार्जिंग नेटवर्क के विकास के लिए Star Charge, YKC और Shudao New Energy जैसे भागीदारों के साथ सहयोग की घोषणा की।
कंपनी ने 31 प्रांतीय स्तर के क्षेत्रों के 271 शहरों में 600 से अधिक सेवा केंद्रों वाले मालिक क्लब की योजना भी बताई। सेवा केंद्रों की संख्या को नए उच्च-शक्ति चार्जिंग स्टेशनों की समान संख्या नहीं मानना चाहिए।
LFP और EV से परे
यूटिलिटी स्केल
CATL स्थिर ऊर्जा भंडारण के लिए भी बैटरियाँ विकसित करती है। लिथियम-आधारित और सोडियम-आयन प्रणालियों का विकास एक-दूसरे को अनिवार्य रूप से समाप्त नहीं करता।
अप्रैल 2024 में कंपनी ने 6.25 MWh क्षमता वाली TENER प्रणाली पेश की। पहले पाँच वर्षों में क्षमता और शक्ति में गिरावट न होने का कथन उत्पाद प्रदर्शन का दावा था; यह घोषणा पाँच वर्ष पूरा कर चुके किसी सार्वजनिक रूप से सत्यापित पायलट का प्रमाण नहीं थी।
स्रोत: Sustainability Environment
TENER में हनीकॉम्ब संरचना का उपयोग सार्वजनिक विवरण से स्थापित नहीं होता। इसे Shenxing PLUS की एनोड संरचना के साथ सीधे जोड़ना अनुमान होगा।
TENER के लिए कंपनी ने जैव-अनुकरणात्मक आयन मार्गों वाली स्थिर ठोस-इलेक्ट्रोलाइट अंतरापृष्ठ परत, यानी SEI, और स्वतः संयोजित इलेक्ट्रोलाइट तकनीकों का उल्लेख किया। कंपनी इन्हें लंबे समय तक स्थिर प्रदर्शन और सक्रिय लिथियम से जुड़े जोखिमों को नियंत्रित करने वाले उपायों के रूप में प्रस्तुत करती है।
यदि दीर्घकालिक उपयोग में दावे पुष्ट होते हैं, तो क्षमता बनाए रखना स्थिर भंडारण की लागत और उपयोगी जीवन के लिए महत्वपूर्ण होगा। फिर भी क्षमता में गिरावट न होना अपने आप में पूर्ण सुरक्षा का प्रमाण नहीं है।
अन्य रसायन भी उपयोगी हो सकते हैं, जैसा हमने “ऊर्जा भंडारण का भविष्य — ग्रिड-स्तरीय बैटरी प्रौद्योगिकियाँ” में बताया है। किसी एक रसायन की जीत या ग्रिड बाजार का EV बाजार से बड़ा होना माप की इकाई और भविष्य की मांग पर निर्भर करेगा।
संघनित अवस्था
CATL ने 2023 में “कंडेंस्ड मैटर” बैटरी भी प्रस्तुत की। उसके निर्माण में वही हनीकॉम्ब संरचना होने का प्रमाण उपलब्ध नहीं है, और उसे स्वतः पूरी तरह सॉलिड-स्टेट नहीं मानना चाहिए।
कंपनी ने 500 Wh/kg तक सेल ऊर्जा घनत्व बताया था। इसे Shenxing PLUS के 205 Wh/kg प्रणाली स्तर के आँकड़े से सीधे 2.5 गुना बेहतर पैक के रूप में तुलना करना उचित नहीं है।
इन तकनीकों के संभावित उपयोग अलग हो सकते हैं:
- उच्च सेल ऊर्जा घनत्व वाली कंडेंस्ड मैटर तकनीक, जिसके लिए विमानन सहित संभावित उपयोगों पर शोध और विकास आवश्यक है।
- Shenxing PLUS जैसी LFP प्रणाली, जिसके लिए कंपनी ने 1,000 किमी से अधिक रेंज और 10 मिनट में 600 किमी जुड़ने के अलग-अलग दावे किए।
- सोडियम-आयन तकनीक, जो लागत और संसाधन संबंधी लाभ दे सकती है, लेकिन ऊर्जा घनत्व और बाजार उपलब्धता उत्पाद पर निर्भर करते हैं।
इस मिश्रण में सॉलिड-स्टेट तकनीक की भूमिका अभी विकसित हो रही है। उसकी पहली पीढ़ी की प्रतिस्पर्धात्मकता प्रदर्शन, लागत, सुरक्षा और उत्पादन क्षमता पर निर्भर करेगी। मौजूदा उत्पादों की घोषणा से उसका पिछड़ना सिद्ध नहीं होता।
स्रोत: Nature
उन्नत बैटरी प्रौद्योगिकियों में निवेश
बैटरियाँ विद्युतीकरण और जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता कम करने के प्रयासों का महत्वपूर्ण हिस्सा हैं। अलग-अलग उपयोगों में तकनीकी और आर्थिक आवश्यकताएँ भिन्न होती हैं।
बैटरी-संबंधी कंपनियों में ब्रोकरों के माध्यम से निवेश किया जा सकता है। securities.io पर हमारे ब्रोकर मार्गदर्शक अमेरिका, कनाडा, ऑस्ट्रेलिया, ब्रिटेन और अन्य देशों के लिए उपलब्ध हैं।
किसी एक कंपनी के बजाय बैटरी क्षेत्र के ETF भी 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 । ये निवेश को कई कंपनियों में फैलाते हैं, लेकिन बाजार, क्षेत्र और प्रौद्योगिकी संबंधी जोखिम समाप्त नहीं करते।
उन्नत बैटरी कंपनियां
1. CATL (300750.SZ)
CATL प्रमुख वैश्विक बैटरी निर्माताओं में से एक है। कंपनी द्वारा उद्धृत SNE Research के अनुसार, 2023 में वैश्विक EV बैटरी उपयोग में उसकी हिस्सेदारी 36.8% थी। यह सभी प्रकार की वैश्विक बैटरियों के आधे से अधिक उत्पादन के दावे का समर्थन नहीं करता।
लिथियम-आयन क्षेत्र में कंपनी की मजबूत स्थिति है, लेकिन अलग उत्पाद घोषणाओं का व्यावसायिक मूल्य वास्तविक उत्पादन, ग्राहक अपनाने और प्रदर्शन पर निर्भर करता है।
CATL ने अन्य बैटरी तकनीकों से जुड़े लक्ष्य और उत्पाद भी बताए हैं:
- स्थिर भंडारण के लिए लंबे चक्र-जीवन वाली बैटरियाँ। रिपोर्ट किए गए चक्रों की तुलना में परीक्षण की शर्तें, क्षमता सीमा और डिस्चार्ज की गहराई देखना आवश्यक है।
- पहले Shenxing LFP उत्पाद के लिए 700 किमी रेंज और 10 मिनट में 400 किमी जुड़ने के दावे, जो Shenxing PLUS से अलग उत्पाद और घोषणा थे।
- 500 Wh/kg तक सेल ऊर्जा घनत्व वाली कंडेंस्ड मैटर तकनीक, जिसका विमानन में संभावित उपयोग अतिरिक्त परीक्षण और प्रमाणन पर निर्भर है.
- सोडियम-आयन सेल की पहली पीढ़ी के लिए 160 Wh/kg तथा बाद के विकास के लिए 200 Wh/kg का लक्ष्य; घोषित लक्ष्य को सिद्ध बड़े पैमाने के उत्पादन का समानार्थी नहीं मानना चाहिए।
स्रोत: CATL
स्रोत: CATL
CATL ने चीन में बैटरी पुनर्चक्रण क्षमता के विस्तार के लिए निवेश की घोषणा भी की है। कंपनी ने चयनित प्रक्रियाओं में निकेल, कोबाल्ट और मैंगनीज़ के लिए 99.6% तथा लिथियम के लिए 91% तक पुनर्प्राप्ति दर बताई। वास्तविक पुनर्प्राप्ति सामग्री और प्रक्रिया पर निर्भर करती है।
कंपनी का पैमाना और अनुसंधान क्षमता उसे महत्वपूर्ण बनाते हैं, लेकिन भविष्य की तकनीकी बढ़त या निवेश प्रतिफल की गारंटी नहीं देते।
CATL कई वाहन निर्माताओं के साथ काम करती है, जिनमें Tesla (TSLA ), NIO, Ford और Stellantis शामिल हैं। Hyundai के साथ भी रणनीतिक सहयोग की घोषणा की गई है।
एक रसायन से सीखी गई कुछ निर्माण तकनीकें दूसरे में उपयोगी हो सकती हैं। फिर भी हनीकॉम्ब या कंडेंस्ड मैटर सोडियम-आयन उत्पाद उपलब्ध होने का निष्कर्ष केवल इस संभावना से नहीं निकलता।
2. BYD (BYDDY)
BYD EV बाजार में Tesla और अन्य निर्माताओं की प्रमुख प्रतिस्पर्धी है। तुलना करते समय पूरी तरह इलेक्ट्रिक वाहनों और प्लग-इन हाइब्रिड को अलग करना आवश्यक है।
कंपनी बैटरी निर्माण से आगे बढ़कर एक बड़े वाहन निर्माता के रूप में विकसित हुई है। उसकी बिक्री और बाजार स्थिति देश, वाहन श्रेणी और वर्ष के अनुसार अलग होती है।
BYD चीन के बढ़ते वाहन निर्यात का हिस्सा है और उसने विदेशों में निर्माण योजनाएँ भी घोषित की हैं, जैसे हंगरी में संयंत्र.
Seagull जैसे कम कीमत वाले मॉडल नए ग्राहकों तक पहुँच बढ़ा सकते हैं। लेकिन 2024 का Seagull LFP Blade बैटरी का उपयोग करता है, सोडियम-आयन बैटरी का नहीं। चीनी कीमतों को कर, परिवहन और स्थानीय विनिर्देशों के बिना अन्य बाजारों पर लागू नहीं किया जा सकता।
BYD LFP बैटरी क्षेत्र में भी CATL की महत्वपूर्ण प्रतिस्पर्धी है। किसी खास अवधि के चीनी LFP बाजार की हिस्सेदारी को सभी वैश्विक बैटरियों की हिस्सेदारी के साथ नहीं मिलाना चाहिए।
व्यापारिक शुल्क और अन्य प्रतिबंध BYD के विदेश विस्तार को प्रभावित कर सकते हैं। प्रभाव संबंधित देश और आयात नियमों पर निर्भर करेगा।
चीनी EV कई अन्य बाजारों में भी बिकते हैं, लेकिन दक्षिण अमेरिका, अफ्रीका, मध्य पूर्व या दक्षिण-पूर्व एशिया के सभी देशों में समान मांग और नीति नहीं है।
बड़ी जनसंख्या अपने आप में उतने संभावित खरीदारों या कम व्यापारिक बाधाओं का प्रमाण नहीं है। आय, चार्जिंग व्यवस्था, प्रतिस्पर्धा और स्थानीय उद्योग नीति भी महत्वपूर्ण हैं।
स्थानीय उत्पादन कुछ लागत और व्यापारिक जोखिम घटा सकता है। फिर भी यूरोप, अमेरिका या अन्य बाजारों में BYD की प्रतिस्पर्धात्मकता और संयंत्र योजनाओं की सफलता निश्चित नहीं है।
