नैनोकम्पोजिट इलेक्ट्रोकैटलिस्ट्स लिथियम-सल्फर बैटरियों को 5 मिनट चार्ज समय के साथ पुनः कल्पित कर सकते हैं

लिथियम-आयन से लिथियम-सल्फर तक

लिथियम-आयन बैटरियों ने अब तक बैटरी बाजार पर हावी रही हैं। यह उच्च ऊर्जा घनत्व और इलेक्ट्रॉनिक उपभोक्ता बाजार में व्यापक उपयोग और उत्पादन के कारण अग्रिम स्थिति के कारण है।

जब इन्हें अन्य उपयोगों में लागू किया गया, तो लिथियम-आयन बैटरियों की क्षमता में सीमाएँ दिखने लगीं। उदाहरण के तौर पर, लिथियम-आयन बैटरियों की रिचार्ज गति अपेक्षाकृत धीमी होती है, और तेज़ चार्जिंग संभव होने के बावजूद यह बैटरी की आयु को नुकसान पहुंचा सकती है।

धीमी चार्जिंग इलेक्ट्रिक वाहन (EV) मालिकों के लिए लगातार समस्या रही है और अक्सर इसे लोगों के इलेक्ट्रिक वाहन अपनाने से इनकार करने का कारण बताया जाता है।

अब EVs शक्ति क्षमता के हिसाब से बैटरियों के सबसे बड़े उपभोक्ता हैं, इसलिए तेज़ चार्ज करने वाली नई बैटरी रसायन विज्ञान जल्दी ही लोकप्रिय हो सकती है और लिथियम-आयन डिज़ाइनों के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकती है।

One such promising new chemistry are lithium-sulphur batteries. Previous designs were even slower to charge than lithium-ion, but new nanomaterials could make a lithium-sulphur-powered EV charge in just 5 minutes.

लिथियम-सल्फर लाभ और चुनौतियाँ

नई लिथियम-सल्फर बैटरी तकनीक को चीनी और ऑस्ट्रेलियाई विश्वविद्यालयों और अनुसंधान संस्थानों (एडिलेड, टियानजिन, ANSTO, और त्सिंगहुआ) के शोधकर्ताओं ने खोजा और नेचर नैनोटेक्नोलॉजी में “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering” शीर्षक के तहत प्रकाशित किया।

लिथियम-सल्फर बैटरियों को लंबे समय से अद्भुत ऊर्जा घनत्व प्रदान करने के लिए जाना जाता है, जो Wh/kg (विशिष्ट ऊर्जा) में मापे जाने पर क्लासिक लिथियम-आयन बैटरियों की ऊर्जा से दो गुना से अधिक है, और Wh/L (विशिष्ट क्षमता) में मापे जाने पर श्रेष्ठ प्रदर्शन देती हैं।

स्रोत: Vertex Holdings

लिथियम-सल्फर बैटरियों के प्रोटोटाइप को अब तक व्यापक रूप से अपनाने से रोकने वाले मुख्य मुद्दे कम आयु (लिथियम-आयन की 1/3) और बहुत धीमी चार्जिंग गति रहे हैं, जिसके लिए पूरी चार्ज करने में 1-10 घंटे लगते हैं।

यह EVs के लिए स्पष्ट रूप से अस्वीकार्य है, जहाँ उपयोगकर्ता पहले ही लिथियम-आयन के साथ 20-30 मिनट की शिकायत कर रहे हैं।

(हमने अपने संदर्भ लेख में लिथियम-आयन के कई वैकल्पिक रसायनों पर चर्चा की “The Future of Mobility – Battery Tech”).

लिथियम-सल्फर सीमाएँ हाल ही में नेचर में प्रकाशित खोज के धन्यवाद से अचानक बदल गई हैं, एक नई लिथियम-सल्फर डिज़ाइन आश्चर्यजनक प्रदर्शन का वादा करती है:

• कम से कम 1,000 चक्रों की आयु, लिथियम-आयन के समान।
• 1,306 Wh/kg की विशिष्ट ऊर्जा, लिथियम-आयन से 10 गुना अधिक, और अधिकांश ठोस-राज्य बैटरियों के डिज़ाइनों से भी श्रेष्ठ।
• 5 मिनट से कम का चार्ज/डिस्चार्ज चक्र।

नैनोस्केल पर लिथियम-सल्फर बैटरियों का निर्माण

तो, शोधकर्ताओं ने इस परिपूर्ण बैटरी जैसा दिखने वाले को कैसे बनाया?

पहले, उन्होंने एटॉमिक/क्वांटम स्तर पर सल्फर रिडक्शन रिएक्शन (SRR) की जांच की, जो चार्ज/डिस्चार्ज दर को नियंत्रित करने वाला मुख्य भाग है। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने एक पार्टिकल एक्सेलेरेटर (ऑस्ट्रेलियन सिंक्रोट्रॉन, ANSTO) का उपयोग करके धातु-आधारित उत्प्रेरकों में सटीक परमाणु कक्षा अधिभोग (सल्फर परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों की स्थिति) निर्धारित किया।

इन पहले कभी विश्लेषित न किए गए डेटा से सुसज्जित होकर, उन्होंने सल्फर रिडक्शन रिएक्शन (SRR) की गति और प्रक्रिया की सटीक भविष्यवाणी की।

इस भविष्यवाणी मॉडल को हाथ में लेकर, उन्होंने नैनोकम्पोजिट इलेक्ट्रोकैटलिस्ट्स डिजाइन किए, जो कार्बन और कई विभिन्न धातु इलेक्ट्रोकैटलिस्ट मिश्रधातुओं जैसे लोहे, कोबाल्ट, निकेल, तांबा, और जिंक से बने हैं।

अंततः, कोबाल्ट और जिंक का मिश्रधातु चुना गया, जिसके उल्लेखित उल्लेखनीय प्रदर्शन ऊपर समझाए गए हैं।

आगे क्या है?

ऐसी “सुपर बैटरी” का विकास हमारे ऊर्जा प्रणालियों के विद्युतीकरण में एक मोड़ हो सकता है, परिवहन से लेकर नवीकरणीय ऊर्जा के बड़े पैमाने पर अपनाने तक, जिसके लिए शक्तिशाली यूटिलिटी-स्केल बैटरियों की आवश्यकता होती है।

हालाँकि, यह अभी शुरुआती चरण है, और लिथियम-सल्फर बैटरियों के प्रभुत्व में आने से पहले कुछ प्रश्नों के उत्तर चाहिए।

दुर्लभ सामग्री

लिथियम-आयन बैटरियों और EV निर्माताओं ने वर्षों से कोबाल्ट-उपयोगी डिज़ाइनों से दूर जाने की कोशिश की है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कोबाल्ट एक दुर्लभ खनिज है, और इसका मुख्य स्रोत कांगो रहा है, जहाँ कोबाल्ट उत्पादन को बाल श्रम, दास श्रम और सामान्य मानवाधिकार उल्लंघनों से जोड़ा गया है।

इसलिए, इलेक्ट्रोकैटलिस्ट में उपयोग किए गए कोबाल्ट-ज़िंक नैनोक्लस्टर को भी इस समस्या से निपटना पड़ेगा।

लागत

उच्च सामग्री लागतें एक और कारण हैं कि उद्योग कोबाल्ट-आधारित डिज़ाइनों से हटकर ठोस-राज्य, लिथियम-फ़ेरम-फ़ॉस्फेट (LFP), या सोडियम-आयन बैटरियों की ओर बढ़ रहा है।

इसलिए यह कोबाल्ट-आधारित लिथियम-सल्फर बैटरियों के लिए एक समस्या हो सकती है। भले ही वे लिथियम-आयन से बहुत अधिक कुशल और ऊर्जा-घनत्व वाली हों।

साथ ही, अत्यधिक उच्च विशिष्ट ऊर्जा का मतलब है कि समान EV रेंज के लिए कम बैटरियों की आवश्यकता होगी।

यह बदले में EV का वजन काफी कम कर देता है, क्योंकि वर्तमान में बैटरियां वाहन के वजन का 25% से अधिक हिस्सा बनाती हैं। कम वजन रेंज को और बढ़ाता है।

वास्तविक निर्धारक कारक लिथियम-सल्फर बैटरियों की प्रति Wh कीमत और बैटरी पैक के वजन को कितना कम किया जा सकता है, होंगे।

वृहद उत्पादन

पिछले दशक में बैटरी प्रौद्योगिकी में कई नवाचारी सामग्री और डिज़ाइन देखे गए हैं। लेकिन लैब में बने कॉइन सेल को बैटरी पैक में बदलना, और फिर उन्हें बनाने के लिए फैक्ट्री-स्तर की प्रक्रिया बनाना आसान नहीं है।

उदाहरण के लिए, ठोस-राज्य बैटरियों के व्यावसायीकरण की तिथि को क्वांटमस्केप, फॉक्सवैगन, टोयोटा, CATL, LG आदि द्वारा वर्ष दर वर्ष बार-बार स्थगित किया गया है।

यह इसलिए नहीं है कि तकनीक काम नहीं कर रही है, बल्कि स्केल पर ठोस-राज्य बैटरियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन, बिना गुणवत्ता समस्याओं के और कम लागत पर, बहुत चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है।

इसलिए, इस लिथियम-सल्फर प्रोटोटाइप को व्यावसायिक बैटरी में बदलने के लिए अभी भी कई कदम बाकी हो सकते हैं।

निष्कर्ष

बैटरियां शुरुआत से ही EVs की कमजोरी रही हैं, जिसे विश्व भर के विश्वविद्यालयों के विशाल शोध प्रयासों और CATL, Telsa, LG आदि जैसे उद्योग नेताओं द्वारा धीरे-धीरे हल किया जा रहा है।

यह स्पष्ट नहीं है कि कौन सा डिज़ाइन या रसायन अंततः प्रमुख होगा। सबसे मजबूत दावेदार ठोस-राज्य बैटरियां लगती हैं, और लिथियम-सल्फर वह बैटरी पीढ़ी हो सकती है जो ठोस-राज्य व्यावसायीकरण के बाद आएगी।

LFP और सोडियम-आयन भी कम लागत पर केंद्रित अनुप्रयोगों और उत्पादों के लिए मौजूद हो सकते हैं, न कि उच्च प्रदर्शन के लिए।

और निश्चित रूप से, शायद EVs की तुलना में बहुत अलग आवश्यकताओं वाले यूटिलिटी-स्केल बैटरियों के लिए और भी अधिक विदेशी डिज़ाइन, जैसे आयरन-एयर, रेडॉक्स, ग्रैविटी, या कंक्रीट बैटरियां, जिन पर हमने अपने लेखों में चर्चा की है “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” और “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition”。

किसी भी स्थिति में, ऊर्जा प्रणालियों का भविष्य बड़े पैमाने पर विद्युतीकरण की ओर प्रवृत्त है। और बैटरी प्रौद्योगिकी बहुत तेज़ी से आगे बढ़ रही है, जो संभवतः EVs और नवीकरणीय ऊर्जा के बड़े पैमाने पर अपनाने की अंतिम बाधा को हटा देगी।