एल्यूमिनियम-एयर बैटरी तकनीक: स्क्रैप एल्यूमिनियम से ईवी को शक्ति प्रदान करना

ईवी सीमाओं को हल करने के लिए पार्श्विक सोच

EVs ने कार बाजार में धूम मचा दी है, चीन और नॉर्वे जैसे देशों ने पहले ही मजबूत बाजार पैठ हासिल कर ली है। साथ ही, कई देशों में ईवी अपनाने में कुछ प्रमुख सीमाओं के कारण अभी भी पीछे रह गया है:

• सस्ते ईवी मॉडलों के लिए कम रेंज।
• धीमी चार्जिंग गति, जो कम रेंज के कारण नियमित चार्जिंग के साथ मिलकर लंबी दूरी की यात्रा को कठिन बना देती है।
• पावर ग्रिड की क्षमता पर चिंता कि वह लाखों नए ईवी को संभाल सके।

पहली दो समस्याएँ, रेंज और चार्जिंग गति, उद्योग नई बैटरी रसायनों और तेज़ तथा अधिक घनी चार्जिंग स्टेशन नेटवर्क के साथ हल करने की कोशिश कर रहा है। लेकिन यह अभी भी एक कठिन चुनौती है। हमने नई बैटरियों के सभी संभावित मार्गों को अपने लेख “ऊर्जा भंडारण का भविष्य – यूटिलिटी-स्केल बैटरी तकनीक” में विस्तार से बताया है।

ग्रिड समस्याएँ नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन की अस्थिरता से और बढ़ जाती हैं। जब लोग काम से घर लौटते हैं और यात्रा समाप्त होती है, तब शाम को ईवी की चार्जिंग की लहर, जबकि सौर ऊर्जा पहले से ही उपलब्ध नहीं है, स्वागत योग्य नहीं होती।

लेकिन एक नया अवधारणा इन सभी समस्याओं को एक साथ हल कर सकती है। यदि हम ICE (इंटरनल कंबशन इंजन) और द्रव जीवाश्म ईंधन या ईवी और बैटरियों के बीच चयन करने के बजाय, ईवी को पूरी तरह से पुनर्चक्रण योग्य ईंधन से “रिफ्यूल” कर सकें तो?

एल्यूमिनियम की ऊर्जा क्षमता

एल्यूमिनियम पृथ्वी पर एक बहुत सामान्य तत्व है। वास्तव में, यह पृथ्वी पर सबसे सामान्य धातु है, लोहे से भी अधिक, और पृथ्वी की पपड़ी का 8% बनाता है। यह वह धातु भी है जिसके उत्पादन में बहुत अधिक बिजली की आवश्यकता होती है, कच्चे बॉक्साइट अयस्क से एल्यूमिना और फिर एल्यूमिनियम धातु तक। इस कारण कभी-कभी एल्यूमिनियम को “जमी हुई बिजली” कहा जाता है।

अपनी सामान्य और शांत दिखावट के तहत, एल्यूमिनियम सही परिस्थितियों में बहुत प्रतिक्रियाशील धातु हो सकता है और इसका उपयोग आतिशबाज़ी में किया गया है; एल्यूमिनियम पाउडर ने स्पेस शटल के ठोस रॉकेट बूस्टर को भी शक्ति प्रदान की थी। वास्तव में, एल्यूमिनियम डीजल या गैसोलीन से 2.5 गुना अधिक ऊर्जा घनत्व वाला है। अब एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों का परिचय।

एल्यूमिनियम-एयर बैटरियां एल्यूमिनियम के ऑक्सीकरण और अपचयन के माध्यम से बिजली संग्रहीत और उत्पन्न करती हैं। यह एल्यूमिनियम धातु को हवा के साथ प्रतिक्रिया करने देती है और वर्तमान में उपलब्ध सभी बैटरी तकनीकों में से सबसे उच्च ऊर्जा घनत्व में से एक प्रदान करती है। यह लिथियम-आयन से आठ गुना हल्की और चार गुना छोटी हो सकती है।

एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों को एल्यूमिनियम-आयन बैटरियों के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए, जो लिथियम-आयन के समान हैं, केवल अलग धातु का उपयोग करती हैं।

स्रोत: Energy Post

एल्यूमिनियम-एयर के लाभ

चूंकि कैथोड केवल पर्यावरणीय हवा से ऑक्सीजन है, इसलिए धातु कैथोड की आवश्यकता नहीं होती, जिससे बैटरी अपने प्रतिस्पर्धियों की तुलना में बहुत हल्की हो जाती है।

एक और लाभ यह है कि यह मूल रूप से एक “इलेक्ट्रिक इंजन” है जो तेल के बजाय एल्यूमिनियम का उपभोग करता है और बैटरी प्रणालियों की तरह डिस्चार्ज होने पर वोल्टेज नहीं खोता।

सीमा यह है कि यह एल्यूमिनियम का उपभोग करता है और बैटरी को केवल प्लग करके रिचार्ज नहीं किया जा सकता। इसलिए, यह सिद्धांतों में सामान्य AA बैटरी के अधिक समान है न कि लिथियम-आयन बैटरी के। इस कारण, इसे बैटरी स्वैप प्रणाली की आवश्यकता होती है, जो लगभग 90 सेकंड लेती है, न कि तरल ईंधन रिफ्यूलिंग या 10-15 मिनट की इलेक्ट्रिक रिचार्ज।

एक वैकल्पिक विकल्प यह भी हो सकता है कि एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों को रिचार्जेबल बैटरियों के साथ मिलाया जाए, जिससे आवश्यकता के अनुसार सीधे रिचार्ज या एल्यूमिनियम-चालित ड्राइव का लचीला उपयोग संभव हो, जो हाइब्रिड वाहन के समान है, लेकिन बिना किसी जीवाश्म ईंधन के।

इन्फ्रास्ट्रक्चर के लाभ

एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों के पक्ष में एक मजबूत पहलू यह है कि एल्यूमिनियम रीसाइक्लिंग के लिए पहले से ही एक स्थापित, कुशल और बड़े पैमाने पर उद्योग मौजूद है—जो लिथियम-आयन बैटरियों में अभी भी गंभीर रूप से अनुपस्थित है।

इसका अर्थ यह भी है कि मूल सामग्री की आपूर्ति के लिए, एल्यूमिनियम-एयर बैटरी उद्योग पुरानी इमारतों, मशीनों या हवाई जहाज़ों से बचाए गए स्क्रैप एल्यूमिनियम से सामग्री प्राप्त कर सकता है और साथ ही शक्ति उत्पन्न कर सकता है। कुल मिलाकर, इस प्रणाली को लिथियम, निकेल, कोबाल्ट या दुर्लभ पृथ्वी खनिजों जैसे महत्वपूर्ण/प्रदूषक/महंगे संसाधनों की आवश्यकता नहीं होती।

जैसा कि ऊपर बताया गया है, बैटरी स्वैप का मतलब यह भी है कि जब ईवी रिचार्ज/फ्यूल स्टेशन पर आते हैं तो पावर ग्रिड पर तुरंत रिचार्ज करने का दबाव नहीं रहता। इसके बजाय, एल्यूमिनियम का पुनर्जनन और बैटरियों का रिचार्ज नवीकरणीय ऊर्जा के साथ किया जा सकता है जब वह अधिक मात्रा में उत्पन्न हो।

अंत में, न केवल एल्यूमिनियम धातु को सुविधाजनक समय पर हरी ऊर्जा से पुनर्जनित किया जा सकता है, बल्कि इसे कम लागत पर आसानी से संग्रहीत भी किया जा सकता है, क्योंकि यह एक स्थिर और गैर-विषाक्त ठोस धातु है जो अधिक ऑक्सीकरण नहीं करती। इसलिए, ऊर्जा को एल्यूमिनियम स्टॉकपाइल के माध्यम से लंबे समय तक संग्रहीत किया जा सकता है, जो बैटरियों, अमोनिया या हाइड्रोजन की तुलना में बहुत कम भंडारण लागत पर होता है।

एल्यूमिनियम का बड़े पैमाने पर परिवहन भी हाइड्रोजन की तरह विशेष इन्फ्रास्ट्रक्चर की आवश्यकता नहीं रखता और इसे सामान्य ट्रकों या ट्रेनों द्वारा किया जा सकता है।

एल्यूमिनियम लागत- स्रोत: RiAlAiR

एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों के नुकसान

एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों की एक सीमा बैटरी-स्वैपिंग स्टेशनों के घने नेटवर्क की आवश्यकता है। ईवी की मानकीकरण की कमी और पर्याप्त नेटवर्क बनाने की लागत के कारण, बैटरी स्वैप अक्सर एक विफल विचार रहा है। यह पारंपरिक बैटरी अवधारणाओं के लिए और भी कम संभावना है, क्योंकि ईवी उद्योग “स्ट्रक्चरल बैटरियों” की ओर बढ़ रहा है जो वाहन फ्रेम में एकीकृत होती हैं।

नीचे कुछ कंपनियां (देखें) एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों के लिए हाथ से किए जा सकने वाले बैटरी स्वैप पर काम कर रही हैं, जिससे तकनीकी जटिलता और महंगे बैटरी स्वैप स्टेशन की आवश्यकता काफी कम हो जाती है, और प्रोपेन बोतलों जैसी सरल डिलीवरी ऑटोमेट्स पर्याप्त होते हैं। किसी भी स्थिति में, उपयोग की गई बैटरियों को एकत्र करने और पुनर्निर्माण/रीचार्ज करने के लिए एक इन्फ्रास्ट्रक्चर स्थापित करना आवश्यक होगा।

कुल मिलाकर, यह अवधारणा नई नहीं है और पहली बार 1960 के दशक में कल्पना की गई थी। उस समय इलेक्ट्रोलाइट की विषाक्तता ने इस तकनीक की प्रगति को रोक दिया था। अन्य तकनीकी समस्याएँ भी महत्वपूर्ण हो सकती हैं, मुख्यतः एयर कैथोड से संबंधित:

“ऑक्सीजन रिडक्शन प्रतिक्रिया की सुस्त दक्षता इसका अनुप्रयोग करने में बाधा है। अन्य समस्याओं में अल्कलाइन इलेक्ट्रोलाइट के साथ CO2 की प्रतिक्रिया से कार्बोनेट प्रीसिपिटेट बनना, खुले हवा में जल का वाष्पीकरण [इलेक्ट्रोलाइट सूखना] और एयर कैथोड के छिद्रों में इलेक्ट्रोलाइट का प्रवेश शामिल है।” – स्रोत: Automotive Logistics

एल्यूमिनियम-एयर कंपनियां

1. Aluma Power

Aluma Power एक कनाडाई कंपनी है जो Aamjiwnaang प्रथम राष्ट्र की भूमि पर स्थित है।

Aluma Power 43% की पूर्ण चक्र दक्षता और 700% दक्षता की कल्पना करता है जब एल्यूमिनियम को पहले कारों, इमारतों, हवाई जहाज़ों, ग्रीनहाउस, नौकाओं आदि के फ्रेम बनाने जैसी अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, फिर ईंधन में पुनर्चक्रित किया जाता है।

स्रोत: Aluma

Aluma Power का अनूठा दृष्टिकोण एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों की सीमाओं जैसे एनोड जंग और पहनाव को कम करने के लिए मैकेनिकल विधि पर केंद्रित है, जिसमें एनोड को घुमाया जाता है। यह डिज़ाइन किसी भी स्क्रैप एल्यूमिनियम का उपयोग कर सकता है, जिसमें पिघले हुए इंजन ब्लॉक या सोडा कैन शामिल हैं। यह US पेटेंट US10978758B2 में दस्तावेज़ित है।

ईंधन डिस्क को कुछ मिनटों में बदला जा सकता है और यह 130 घंटे तक की खपत तक चलती है।

स्रोत: Aluma

कंपनी का दावा है कि उनका डिस्क सिस्टम मौजूदा कंपनियों की तुलना में 70% कम पूंजी लागत और “स्टोरेज ऐज़ ए सर्विस” के लिए कम श्रम लागत प्रदान करता है।

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique फ़्रांस में और इसकी यूके सहायक कंपनी MAL एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों का विकास कर रहे हैं। कंपनी की प्रमुख बौद्धिक संपदा एक स्वामित्व इलेक्ट्रोलाइट रसायन विज्ञान है, जिसका दावा है कि यह एनोड जंग और छिद्र ब्लॉकेज की समस्याओं को कम करता है।

कंपनी की वेबसाइट थोड़ी साधारण है, जिसमें मुख्यतः कुछ समाचार लेख लिंक और 2024 में भविष्य के उत्पाद रिलीज़ की घोषणा है। यह थोड़ा चिंताजनक हो सकता है, क्योंकि Q4 2021 में लॉन्च की पूर्व घोषणा को देखते हुए।

कंपनी तीन विभिन्न उत्पाद अवधारणाओं पर ध्यान केंद्रित कर रही प्रतीत होती है:

• ईवी के लिए 300 मील रेंज एक्सटेंडर, जो दो बहुत बड़े ऑटोमोटिव कंपनियों के साथ चर्चा में है।
• 1,500 मील रेंज ईवी बैटरी। MAL ने यूके में इन बैटरियों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए Austin Electric के साथ कई मिलियन पाउंड का सौदा किया है।
• £3,500 रूपांतरण किट जो सामान्य ईंधन कारों को हाइब्रिड में बदलते हैं।

MAL का दावा है कि उनकी बैटरी का निर्माण केवल $36/kWh लागत पर होता है, जबकि लिथियम-आयन बैटरियों की लागत लगभग $180/kWh है। बैटरी अमोर्टाइज़ेशन को शामिल करने पर, यह ड्राइविंग लागत को £0.08/माइल तक लाता है, जबकि लिथियम-आयन के लिए £0.50/माइल है।

यह तकनीक हवाई जहाज़ों, रक्षा बैटरियों और द्वीपों पर दूरस्थ शक्ति के लिए भी लागू की जा सकती है।

3. RiAlAiR

कंपनी नाव और मछली पकड़ने के उद्योग के लिए एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों का उत्पादन करने पर केंद्रित है। कंपनी अपनी बैटरियों के लिए एक सब्सक्रिप्शन सेवा प्रदान करती है, जिससे अग्रिम लागत कम होती है और प्रदूषण और उच्च ईंधन लागत को घटाने में मदद मिलती है।

मछली पकड़ने वाली नावों और टैक्सी बोटों जैसे पेशेवर नाव उपयोगकर्ताओं पर ध्यान केंद्रित करने से सस्ते ईंधन के आर्थिक तर्क को अच्छी तरह से समर्थन मिलता है, और व्यापार केस को हरे ऊर्जा तर्कों पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि केवल बढ़ी हुई लाभप्रदता पर आधारित है।

जीवाश्म ईंधन से इलेक्ट्रिक-चालित नाव में परिवर्तन से नाव पर स्वयं सोलर पैनल या पवन टरबाइन के साथ ऊर्जा आपूर्ति को पूरक करने की संभावना खुलती है, जिससे ईंधन अर्थव्यवस्था और नाव की स्वायत्तता और भी बढ़ती है।

स्रोत: RiAlAiR

अंत में, इलेक्ट्रिक पावर ट्रेन नाव के प्रोपल्शन के लिए अधिक कुशल है, जिसमें 92% ऊर्जा थ्रस्ट में परिवर्तित होती है, जबकि ईंधन-चालित नावों में केवल 35% ही होती है (अंतर ICE इंजनों में थर्मल और मैकेनिकल हानियों से आता है)।

वर्तमान में, लाखों मछली पकड़ने वाली नावें प्रति वर्ष 50 अरब लीटर ईंधन उपभोग करती हैं, जो वैश्विक ईंधन खपत का 1.2% बनाती हैं, जिनमें अधिकांश का टनज 20 टन से कम और लंबाई 12 मीटर से कम है, मुख्यतः एशिया में स्थित हैं। इसके अलावा 15 मिलियन मनोरंजन नौकाएँ भी हैं जिनमें हरे इलेक्ट्रिक प्रोपल्शन में बदलने की संभावना है।

स्रोत: RiAlAiR

जबकि इलेक्ट्रिक प्रोपल्शन नौका प्रोपल्शन के लिए शुरू से ही संभव नहीं रहा, सीमा हमेशा बैटरियों की ऊर्जा घनत्व रही है। यह वह चीज़ है जिसे आधुनिक एल्यूमिनियम-एयर डिज़ाइन हल कर सकते हैं, संभावित रूप से इन बैटरियों के लिए एक विशेष लेकिन लाभदायक बाजार बना सकते हैं।

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy वह एकमात्र कंपनी है जो एल्यूमिनियम-एयर तकनीक में शामिल है और सार्वजनिक रूप से सूचीबद्ध भी है, जिसे हम खोज सके। इसरायली कंपनी एल्यूमिनियम और जिंक-आधारित बैटरियों दोनों का विकास कर रही है। यह पावर बैकअप, मोबिलिटी/ईवी, और ऊर्जा भंडारण के बाजार को लक्षित कर रही है। यह समुद्री ऊर्जा, कंटेनर-आधारित बैटरियों की संभावनाओं को भी देख रही है।

कंपनी ने हाल ही में भारतीय टेलीकॉम कंपनी Indus Power को 300 पावर बैकअप सिस्टम प्रदान करने के लिए एक समझौता किया है, साथ ही Cellnex के साथ एक सफल परीक्षण, एक अन्य टेलीकॉम कंपनी। यह अपनी प्रणाली को एक प्रमुख क्लाउड डेटा सेंटर कंपनी के साथ भी परीक्षण कर रही है।

इसने जनवरी 2023 में एक प्रोटोटाइप इलेक्ट्रिक टाटा पैसेंजर वाहन भी दिखाया। भारत कंपनी की निर्यात रणनीति के केंद्र में है, क्योंकि उसने Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), भारत के सबसे बड़े एल्यूमिनियम निर्माताओं में से एक, के साथ एक पारिस्थितिकी तंत्र बनाने के लिए समझौता किया है।

5. Log9

यह भारतीय कंपनी पहला स्वदेशी लिथियम-आयन बैटरी सेल निर्माता है, जो अपना स्वयं का बैटरी प्रबंधन सिस्टम भी बनाती है। कंपनी बैटरियां, ग्रैफ़ीन अल्ट्राकैपेसिटर, और एल्यूमिनियम-फ़्यूल-सेल (AFC) का उत्पादन करती है।

कंपनी को 2020 में रिपोर्ट किया गया था कि उसके पास एल्यूमिनियम-एयर बैटरियों पर काम करने वाली 45 लोगों की टीम है। इसने 2021 में एक प्रोटोटाइप अंतिम-मील डिलीवरी वाहन के लिए चर्चा की जो एक ही “चार्ज” पर 3,000 किमी चल सकता है।

हाल ही में, कंपनी ने मुख्यतः तेज़ चार्जिंग लिथियम-आयन बैटरियों पर ध्यान केंद्रित किया है, इसलिए यह स्पष्ट नहीं है कि उसकी एल्यूमिनियम-एयर के लक्ष्य हासिल हो रहे हैं या नहीं, लेकिन तकनीक अभी भी उसकी वेबसाइट के होम पेज पर प्रमुख रूप से दिखायी देती है।

निष्कर्ष

एल्यूमिनियम-एयर बैटरियां, या शायद एल्यूमिनियम फ़्यूल सेल बेहतर शब्द हो सकता है, ईवी और बैटरी तकनीक के पारंपरिक दृष्टिकोण के लिए एक बहुत रोचक विकल्प हैं। धातु ठोस ईंधन प्रदान करके, यह ईवी अपनाने की अधिकांश बाधाओं को दूर कर सकता है, साथ ही नवीकरणीय ऊर्जा की अस्थिरता को पुनर्चक्रित ठोस एल्यूमिनियम में “संग्रहीत” करके प्रबंधित करने की समस्या को हल कर सकता है।

अभी के लिए, यह तकनीक अभी भी अपने शुरुआती चरण में है, और कोई भी बड़ी निगम या बैटरी कंपनी इसे विकसित करने में लगी नहीं दिखती। यह आंशिक रूप से इस कारण है कि यह अवधारणा ईवी उद्योग में पारंपरिक समझ से मूल रूप से अलग है और इसके लिए पूरी तरह अलग कौशल सेट और निर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होगी।

यह भी इसलिए है क्योंकि यह तकनीक हरित नीतियों और सब्सिडी में अक्सर गिरती है, न तो हाइड्रोजन फ़्यूल-सेल तकनीक की आवश्यकताओं को मिलाती है और न ही रिचार्जेबल बैटरियों/ईवी नीतियों को। यह भारत में सबसे अधिक स्वागत किया जा रहा है, जहाँ देश बैटरी तकनीक और हरित ऊर्जा में चीन को पकड़ने के लिए उत्सुक है।