प्रिंसटन की सॉलिड-स्टेट बैटरी तकनीक ऊर्जा भंडारण को कैसे बदल सकती है

परम बैटरी

जैसे-जैसे बैटरियां इलेक्ट्रिक वाहन (EV) पावरट्रेन की आधार बन गई हैं, उनका प्रदर्शन और सुरक्षा प्रोफ़ाइल सुधरा है। अब तक, यह लिथियम बैटरियों के विभिन्न रूपों के साथ हासिल किया गया है, चाहे वह लिथियम-आयन (लिथियम-निकेल-मैंगनीज़ NMC और लिथियम-निकेल-कोबाल्ट-एल्यूमीनियम NCA) हो या लिथियम-फ़ेरम-फ़ॉस्फेट (LFP) बैटरियां। यह एक परिवर्तनकारी तकनीक थी जिसने अपने आविष्कारकों को अपने आविष्कारकों को 2019 का रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार दिलाया (इतिहास के लिए लिंक देखें)।

अब तक, इन बैटरियों से उम्मीद की गई थी कि वे अपनी अत्यधिक उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण बैटरी बाजार में प्रमुख बनी रहेंगी।

स्रोत: S&P Global

हालांकि, क्लासिक लिथियम-आयन बैटरियों में जितनी ऊर्जा रखी जा सकती है, उसकी एक सीमा है। इसलिए शोधकर्ता अन्य विकल्पों की तलाश कर रहे हैं, जिनमें से सबसे संभावित विकल्प सॉलिड-स्टेट बैटरियां हैं।

सॉलिड-स्टेट बैटरियों से अपेक्षा की जाती है कि वे पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में अधिक सुरक्षित, अधिक ऊर्जा-घनत्व वाली और अधिक टिकाऊ होंगी। हालांकि, इन्हें बड़े पैमाने पर लागत-प्रभावी तरीके से विश्वसनीय रूप से बनाना बहुत कठिन है, जिससे इनके अपनाने में देरी हुई है।

यह स्थिति बदल सकती है, और सॉलिड-स्टेट बैटरियों के विफल होने के कारणों के बारे में नई जानकारी प्रिंसटन विश्वविद्यालय, पर्ड्यू विश्वविद्यालय, मिशिगन विश्वविद्यालय और ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में काम करने वाले शोधकर्ताओं से मिल रही है।

उन्होंने अपनी नवीनतम खोजें क्रमशः Advanced Energy Materials¹ और ACS Energy Letters² में दो वैज्ञानिक पत्रों में प्रकाशित की, जिनके शीर्षक हैं “रिज़र्वायर-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरियों में एजी‑सी छिद्रयुक्त इंटरलेयर में लिथियम गतिशीलता” और “लिथियम-रिज़र्वायर-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरियों में फिलामेंट-प्रेरित विफलता।”

उन्होंने एनोड-फ्री बैटरियों के संबंध में बैटरी विज्ञान की वर्तमान स्थिति का भी विश्लेषण किया और इसे Nature Materials³ में प्रकाशित किया, शीर्षक “एनोड-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरियों की इलेक्ट्रो-केमो-मैकेनिक्स।”

एनोड-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरी

सॉलिड-स्टेट बैटरियों का विचार लिथियम-आयन में तरल इलेक्ट्रोलाइट को ठोस धातु की परत से बदलना है। यह दक्षता में प्रमुख सुधार का स्रोत है, क्योंकि इलेक्ट्रोलाइट भारी और बड़े आकार के होते हैं।

स्रोत: University Of Chicago

यह सुरक्षा प्रोफ़ाइल को भी सुधारता है, क्योंकि इलेक्ट्रोलाइट सॉल्वेंट आमतौर पर ज्वलनशील होते हैं, जिससे दुर्लभ लेकिन प्रभावशाली बैटरी आग लगती है, जिसने शुरुआती इलेक्ट्रिक वाहनों की खराब प्रतिष्ठा बनाई है।

शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक और कदम उठाया है, बैटरी के आधे हिस्से को पूरी तरह हटाकर। बैटरियां एक कैथोड और एक एनोड से बनी होती हैं, प्रत्येक का अलग विद्युत आवेश होता है।

एनोड-फ्री बैटरियां एनोड की आवश्यकता को पूरी तरह से छोड़ देती हैं,

इसके बजाय, आयन सकारात्मक कैथोड से सीधे बैटरी के विपरीत छोर पर स्थित करंट कलेक्टर तक प्रवाहित होते हैं। फिर आयन करंट कलेक्टर पर ही प्लेट होते हैं, जिससे बैटरी चार्ज होने पर एक पतली धातु परत बनती है।

स्रोत: Princeton University

आज एनोड-फ्री तकनीक के अपने विश्लेषण में, प्रिंसटन के शोधकर्ता तर्क देते हैं कि तकनीक को आगे बढ़ाने में मुख्य समस्या चार्ज-डिस्चार्ज चक्र के यांत्रिक प्रभाव की समझ की कमी है, न कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं की।

एनोड-फ्री बैटरियों के चार्ज-डिस्चार्ज साइक्लिंग को नियंत्रित करने वाले तंत्र मुख्यतः ठोस-ठोस इंटरफ़ेस पर इलेक्ट्रो-केमो-मैकेनिकल घटनाओं द्वारा नियंत्रित होते हैं, और पारंपरिक लिथियम-बहुल बैटरियों की तुलना में महत्वपूर्ण यांत्रिक अंतर होते हैं।

 सॉलिड-स्टेट चुनौतियां

एक क्लासिक बैटरी में, इलेक्ट्रोड (एनोड और कैथोड) से कनेक्शन अपेक्षाकृत आसान होता है, क्योंकि इलेक्ट्रोलाइट तरल रूप में होता है। सॉलिड-स्टेट बैटरी में, ठोस धातु को करंट कलेक्टर के साथ पूरी तरह संपर्क में रहना चाहिए।

यदि यह पूरी तरह समान नहीं है, तो अच्छे संपर्क वाले क्षेत्रों में हॉटस्पॉट बनते हैं, जबकि खराब संपर्क वाले क्षेत्रों में खाली जगहें बनती हैं।

यह समझने के लिए कि यह क्यों होता है, शोधकर्ताओं को बैटरी के चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान होने वाली जटिल प्रक्रिया की पूरी समझ चाहिए। यह केवल रासायनिक घटना नहीं, बल्कि यांत्रिक भी है, जहाँ सामग्री समय के साथ थोड़ा आकार बदलती है।

पहले पेपर में, उन्होंने पाया कि दबाव ठोस-स्टेट धातु की प्रतिक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।

निम्न-दबाव समस्याएं

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी दिखाती है कि दबाव बढ़ने पर लिथियम की सतह संपर्क बढ़ता है। इसलिए इसका मतलब है कि बहुत कम दबाव सतह की अनियमितताओं के कारण उत्पन्न असमान संपर्क को सुधारने के लिए पर्याप्त नहीं है।

स्रोत: ACS Publication

अंततः, असमान प्लेटिंग ने तेज़ धातु फिलामेंटों के निर्माण का कारण बना, जो छोटे सुई की तरह ठोस इलेक्ट्रोलाइट को छेदकर बैटरी को शॉर्ट-सर्किट कर सकते हैं।

उच्च-दबाव समस्याएं

जबकि उच्च दबाव समान प्लेटिंग और स्ट्रिपिंग बना सकता है, यह कोई जादुई समाधान नहीं है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इसने इलेक्ट्रोलाइट और करंट कलेक्टर को इतनी तीव्रता से एक साथ धकेला कि दोनों में किसी भी दोष को बढ़ा दिया, जब तक कि यांत्रिक तनाव से दरारें बनने न लगें।

स्रोत: ACS Publication

एक्स-रे टोमोग्राफी का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने उच्च दबाव के तहत बनने वाली इन दरारों को मानचित्रित किया।

जब स्टैक दबाव 2 से 10 MPa तक बढ़ाया जाता है, तो दरारों का कुल आयतन बढ़ता है। कई दरारें काउंटर इलेक्ट्रोड पक्ष तक विस्तारित होती हैं (चित्र 3b–e और S10), और एकल लिथियम डेंड्राइट जो काउंटर इलेक्ट्रोड तक पहुँचता है, शॉर्ट-सर्किट का कारण बन सकता है।

स्रोत: ACS Publication

समग्र रूप से, पर्याप्त कम दबाव और प्रभावी संपर्क के बीच सही संतुलन खोजना बैटरी उद्योग का अंतिम लक्ष्य होगा।

“इस क्षेत्र में पवित्र ग्रैल वह होगा कि हम कम दबाव पर ठोस संपर्क बनाए रखने का तरीका खोजें, क्योंकि दोष-रहित इलेक्ट्रोलाइट बनाना व्यावहारिक रूप से असंभव है। यदि हम इन बैटरियों की संभावनाओं को साकार करना चाहते हैं, तो हमें संपर्क समस्या को हल करना होगा।” Pr. Kelsey Hatzell – मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर

बेहतर प्लेटिंग

अधिक समान प्लेटिंग प्राप्त करना दूसरे पेपर का विषय है, जिसे प्र. हेट्ज़ेल की टीम और उनके सहयोगियों ने अन्य विश्वविद्यालयों और प्रयोगशालाओं में प्रकाशित किया।

उन्होंने पाया कि करंट कलेक्टर और इलेक्ट्रोलाइट के बीच एक पतली कोटिंग परत बेहतर आयन परिवहन को सुगम बनाती है। उन्होंने इस कोटिंग के कई डिज़ाइन परीक्षण किए।

अंततः, उन्होंने पाया कि सबसे अच्छा विकल्प कार्बन और सिल्वर नैनोपार्टिकल्स से बने इंटरलेयर्स थे। इन इंटरलेयर्स में सिल्वर बैटरी के चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान आयनों के साथ मिश्रधातु बनाता है, जिससे करंट कलेक्टर से समान प्लेटिंग और स्ट्रिपिंग संभव होती है।

हालांकि, सिल्वर पार्टिकल्स के निर्माण के विवरण बहुत महत्वपूर्ण हैं। जब 200nm (नैनोमीटर) के बड़े नैनोपार्टिकल्स का उपयोग किया गया, तो उन्होंने करंट कलेक्टर पर पतली, असमान धातु संरचनाएँ बनाईं। इससे कई चार्जिंग चक्रों के बाद क्षमता घटती है और अंततः बैटरी विफल हो जाती है।

स्रोत: Advanced Energy Materials

“केवल कुछ समूहों ने इन इंटरलेयर्स में होने वाली वास्तविक प्रक्रियाओं की जांच की है। अन्य निष्कर्षों के बीच, हमने दिखाया कि इन प्रणालियों की स्थिरता धातु की रूपरेखा से जुड़ी है, जब वह करंट कलेक्टर से प्लेट और स्ट्रिप होती है।”

Se Hwan Park – पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता प्रिंसटन विश्वविद्यालय में

50nm सिल्वर पार्टिकल्स ने बहुत बेहतर प्रदर्शन किया, जिससे अधिक घनी और समान संरचनाएँ बनीं, जिससे बैटरियों की स्थिरता बढ़ी और पावर आउटपुट अधिक हुआ।

“इन निष्कर्षों से इन इंटरलेयर्स के निर्माण की रणनीति को मार्गदर्शन मिल सकता है।

सिल्वर पार्टिकल्स के आकार को घटाकर, हम सुनिश्चित कर सकते हैं कि हमें केवल इंटरलेयर में सिल्वर के लाभ मिलें, जो बदले में हमें कम दबाव पर भी अच्छा संपर्क और समान प्लेटिंग प्राप्त करने में मदद कर सकता है।”

Se Hwan Park – पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता प्रिंसटन विश्वविद्यालय में

बेहतर सॉलिड-स्टेट बैटरियों का निर्माण

काफी समय तक, सॉलिड-स्टेट बैटरी अवधारणा प्रयोगशाला से बाहर निकलने और बड़े पैमाने पर उत्पादन तक पहुंचने में संघर्ष करती रही।

अब यह बदल रहा है, क्योंकि चीन, जापान और दक्षिण कोरिया जैसे देशों के पास सॉलिड-स्टेट बैटरियों को बाजार में लाने की निकट-आवधि योजनाएँ हैं।

• Samsung SDI (006400.KS) ने 2027 तक सॉलिड-स्टेट बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू करने का संकल्प लिया है
• Hyundai (HYMTF) 2030 तक बड़े पैमाने पर उत्पादन की योजना बना रहा है
• Toyota (TM ) ने 2028 का बड़े पैमाने पर उत्पादन लक्ष्य निर्धारित किया है, अपने पहले के 2030 लक्ष्य को अपडेट करके।

“चुनौती यह होगी कि हम केवल कुछ वर्षों में अनुसंधान से वास्तविक दुनिया में पहुँचें। आशा है कि हम जो काम अभी MUSIC (Mechano-Chemical Understanding of Solid Ion Conductors) में कर रहे हैं, वह इन अगली पीढ़ी की बैटरियों के विकास और बड़े पैमाने पर तैनाती को समर्थन दे सकेगा।” Pr. Kelsey Hatzell – मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर

उन्नत बैटरी प्रौद्योगिकियों में निवेश

बैटरियां विद्युतीकरण प्रवृत्ति के केंद्र में हैं, जो स्वयं एक बहु-ट्रिलियन डॉलर का प्रमुख प्रयास है, जिसका लक्ष्य हमारे ऊर्जा स्रोतों से जीवाश्म ईंधन को हटाना है।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से बैटरी-संबंधी कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और आप यहाँ, securities.io पर, USA, Canada, Australia, UK और कई अन्य देशों में सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों के लिए हमारी सिफारिशें 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 निवेश कर सकते हैं, जो बढ़ती बैटरी उद्योग का लाभ उठाने के लिए अधिक विविधित एक्सपोजर प्रदान करेंगे।

सॉलिड-स्टेट बैटरी कंपनी

QuantumScape

2010 में अपनी स्थापना के बाद से, कैलिफ़ोर्निया स्थित QuantumScape (QS ) सॉलिड-स्टेट बैटरी क्षेत्र में एक प्रमुख स्टार्टअप रहा है, जो इस क्षेत्र में जल्दी प्रवेश करने और बड़े बैटरी निर्माताओं जैसे CATL (300750.SZ), Samsung, या LG Energy Solution (373220.KS) से स्वतंत्र रहने के कारण उल्लेखनीय है।

स्रोत: QuantumScape

QuantumScape बैटरियों की एक अनोखी विशेषता, जो उस समय क्रांतिकारी मानी गई थी, यह है कि वे एनोड-फ्री डिज़ाइन का उपयोग करती हैं। यह लगभग 15 मिनट की तेज़ चार्जिंग (45 ºC पर 10-80%) की अनुमति देती है और सेपरेटर ज्वलनशील नहीं और गैर-दहनशील है।

स्रोत: QuantumScape

यह QuantumScape बैटरियों को ऊर्जा घनत्व और चार्जिंग गति के मामले में एक अलग स्तर पर रखता है, जो Tesla (TSLA ) (अपने स्वयं के डिज़ाइन और CATL-निर्मित बैटरियों) जैसे नेताओं को बहुत अधिक मात देती हैं।

स्रोत: QuantumScape

हालांकि, इन उल्लेखनीय प्रदर्शनों को नियमित रूप से उत्पादन बढ़ाने के संघर्ष ने बाधित किया है। इसने कंपनी को अपनी नकदी को तेजी से खर्च करने पर मजबूर किया, जिससे पिछले निवेशकों का डायल्यूशन और शेयर कीमतों में गिरावट आई।

यह बदलता दिख रहा है, क्योंकि 2024 में PowerCo, Volkswagen समूह की बैटरी डिवीजन, के साथ QuantumScape बैटरियों के डिज़ाइन और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए लाइसेंसिंग समझौता हुआ है।

गैर-एक्सक्लूसिव लाइसेंसिंग समझौते के तहत, PowerCo प्रति वर्ष 40 गिगावाट-घंटे इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों का उत्पादन कर सकता है, और इसे 80 GWh प्रति वर्ष तक बढ़ाने का विकल्प है।

QuantumScape उत्पादन का अचानक स्केल-अप कंपनी के अगले-पीढ़ी सॉलिड-स्टेट बैटरी सेपरेटर उपकरण Cobra से जुड़ा हुआ प्रतीत होता है, जो सिरेमिक निर्माण में एक प्रगति है।

समग्र रूप से, Cobra को 2025 में उत्पादन में एकीकृत किया जाना चाहिए और QuantumScape बैटरियों का उपयोग करने वाली पहली तैयार EV 2026 में निर्मित होगी।

स्रोत: QuantumScape

यह कंपनी के लिए एक मोड़ बिंदु हो सकता है, जो स्थापना के 16 साल बाद एक आशाजनक स्टार्टअप से लेकर विश्व के सबसे बड़े ऑटोमेकर्स में से एक के साथ साझेदारी से बढ़ती आय उत्पन्न करने की ओर बढ़ रहा है।

इस बीच, निवेशकों को अभी भी शेयर कीमत में कुछ अस्थिरता की उम्मीद रखनी चाहिए, लेकिन उत्पाद विकास टनल के अंत में एक रोशनी है।

QuantumScape पर नवीनतम

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Se Hwan Park, et al. (2025) लिथियम-रिज़र्वायर-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरियों में फिलामेंट-प्रेरित विफलता. ACS Energy Letters. 22 फरवरी 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. Se Hwan Park, et al. (2024). रिज़र्वायर-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरियों में एजी‑सी छिद्रयुक्त इंटरलेयर में लिथियम गतिशीलता. Advanced Energy Material. 19 दिसंबर 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). एनोड-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरियों की इलेक्ट्रो-केमो-मैकेनिक्स. Nature Materials. 02 जनवरी 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}