लिथियम बैटरियों की सुरक्षा और संबंधित जोखिमों का पुनर्मूल्यांकन – क्या जेल इलेक्ट्रोलाइट समाधान हैं?

Lithium-ion बैटरियों की मांग अभूतपूर्व गति से बढ़ने वाली है। 2022 से 2030 के बीच के अनुमान बताते हैं, इन बैटरियों की वैश्विक मांग सात गुना तक बढ़कर 4.7 टेरावाट-घंटे तक पहुँच जाएगी। 

इन बैटरियों की मांग पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा भंडारण, जिसमें इलेक्ट्रिक वाहन शामिल हैं, में व्यापक उपयोग द्वारा प्रेरित है। हालांकि, ये बैटरियां जोखिम‑मुक्त नहीं हैं। वे आग और विस्फोट के प्रति संवेदनशील हैं। 

इन कमजोरियों का एक समाधान अर्ध-ठोस बैटरियों में है। ये पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों के तरल इलेक्ट्रोलाइट और सॉलिड‑स्टेट बैटरियों के बीच मध्य मार्ग अपनाकर जोखिम को कम करती हैं। 

एक जेल‑समान इलेक्ट्रोलाइट, जो घटक के रूप में उपयोग किया जाता है, इन बैटरियों को बेहतर स्थिरता और लंबा जीवनकाल प्रदान करता है। हालांकि, इन जेल इलेक्ट्रोलाइट्स को उच्च तापमान पर लंबे समय तक गर्मी उपचार देने से वे उल्लेखनीय क्षय से गुजर सकते हैं, जिससे प्रदर्शन में गिरावट और उत्पादन लागत में वृद्धि होती है। इन बैटरियों के निर्माण प्रक्रिया में अर्ध‑ठोस इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच इंटरफ़ेस प्रतिरोध के कारण भी चुनौती आती है।

हाल ही में प्रोफेसर सुजिन पार्क, सेओहा नाम (पीएचडी उम्मीदवार) और डॉ. हे बिन सोन, पोहांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (POSTECH) के रसायन विज्ञान विभाग के शोधकर्ता, एक स्थिर और व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य जेल इलेक्ट्रोलाइट‑आधारित बैटरी बनाकर इन चुनौतियों का समाधान करने के व्यावहारिक तरीके विकसित किए हैं। 

आगामी भाग में, हम बैटरी के तंत्र को गहराई से समझेंगे।

लीथियम बैटरियों के लिए सुरक्षित और व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य जेल इलेक्ट्रोलाइट

क्षयित इलेक्ट्रोलाइट्स, घटते प्रदर्शन और बढ़ती लागतों की चुनौतियों से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं की टीम ने बाइफ़ंक्शनल क्रॉस‑लिंक करने योग्य एडिटिव (CIA) और डिपेंटाएरिथ्रिटोल हेक्साएक्रिलेट (DPH) को इलेक्ट्रॉन बीम (e-beam) तकनीक के साथ उपयोग किया। 

क्षयित इलेक्ट्रोलाइट्स, घटते प्रदर्शन और बढ़ती लागतों की चुनौतियों से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं की टीम ने बाइफ़ंक्शनल क्रॉस‑लिंक करने योग्य एडिटिव (CIA) और डिपेंटाएरिथ्रिटोल हेक्साएक्रिलेट (DPH) को इलेक्ट्रॉन बीम (e-beam) तकनीक के साथ उपयोग किया। 

शोधकर्ताओं ने पारंपरिक निर्माण प्रक्रिया, जिसमें इलेक्ट्रोड तैयारी, इलेक्ट्रोलाइट इंजेक्शन, असेंबली, सक्रियण और डिगैसिंग शामिल थे, से अलग रास्ता अपनाया। 

इसके बजाय, उन्होंने डिगैसिंग प्रक्रिया के बाद एक अतिरिक्त e-beam विकिरण चरण जोड़कर DPH की दोहरी कार्यक्षमता को बढ़ाया। इस बीच, CIA ने सक्रियण के दौरान एनोड और कैथोड सतहों के बीच स्थिर इंटरफ़ेस को सुविधाजनक बनाने के लिए एडिटिव के रूप में और e-beam विकिरण प्रक्रिया के दौरान एक पॉलीमर संरचना बनाने के लिए क्रॉस‑लिंकर के रूप में कार्य किया।

परिणामी समाधान प्रारंभिक चार्जिंग और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान बैटरी की साइड रिएक्शन से उत्पन्न गैस उत्पादन को उल्लेखनीय रूप से कम कर सकता है। यह कमी पारंपरिक बैटरियों की तुलना में 25.5 गुना तक थी। समाधान इलेक्ट्रोड और जेल इलेक्ट्रोलाइट के बीच मजबूत संगतता के कारण इंटरफ़ेस प्रतिरोध को स्थिर रूप से बनाए रख सकता है। 

हालांकि, शोधकर्ताओं ने इन उपलब्धियों पर रुक नहीं गए। उन्होंने 1.2 एम्पीयर‑घंटे की उच्च क्षमता वाली बैटरी विकसित की, जिसे 55 डिग्री सेल्सियस तापमान पर परीक्षण किया गया — वह तापमान जिस पर इलेक्ट्रोलाइट्स विघटित होना शुरू होते हैं। 55 डिग्री सेल्सियस और उससे अधिक पर, इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करने वाली पारंपरिक बैटरियों में 50 चक्रों के बाद क्षमता में उल्लेखनीय कमी और सूजन होती है।

दूसरी ओर, नई बैटरी 200 चक्रों के बाद भी गैस उत्पन्न किए बिना 1 एम्पीयर‑घंटे की क्षमता बनाए रख सकती है और उन्नत सुरक्षा एवं टिकाऊपन मानकों को प्रदर्शित करती है। 

वैज्ञानिक खोज की उपयोगिता को विस्तार से बताते हुए, POSTECH के प्रोफेसर सुजिन पार्क ने कहा:

“स्थिरता और व्यावसायिक व्यवहार्यता में यह उपलब्धि इलेक्ट्रिक वाहन उद्योग में एक बड़ी प्रगति बनने वाली है। हमें आशा है कि यह उन्नति न केवल इलेक्ट्रिक वाहनों को बल्कि लिथियम‑आयन बैटरियों पर निर्भर कई अन्य अनुप्रयोगों को भी बहुत लाभ पहुंचाएगी।”

आगे के भागों में, हम लिथियम‑आयन बैटरियों के कुछ ऐसे अनुप्रयोगों पर संक्षिप्त रूप से नजर डालेंगे। 

सुरक्षित लिथियम बैटरियों के अनुप्रयोग

हालांकि हाल ही में इलेक्ट्रिक वाहनों में उनके उपयोग के कारण इनका ध्यान आकर्षित हुआ है, लिथियम‑आयन बैटरियों का सुरक्षित रूप से कई अन्य अनुप्रयोगों में भी उपयोग किया जाता है। इन अनुप्रयोगों में से कई हमारे दैनिक जीवन के अभिन्न हिस्से हैं, जिनके लिए व्यावसायिक व्यवहार्यता और मजबूती आवश्यक है। उदाहरण के तौर पर, रिचार्जेबल लिथियम बैटरियां पेसमेकर में आम हैं और उन्हें 30 ग्राम से कम वजन के साथ सात से आठ वर्षों की सामान्य आयु तक उपकरण को चलाना चाहिए।

डिजिटल कैमरे, विशेष रूप से DSLR, अपने कॉम्पैक्ट आकार और उच्च शक्ति क्षमता के लिए लिथियम‑आयन बैटरियों पर निर्भर होते हैं, जो अन्य बैटरी प्रकारों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदान करती हैं। इसी प्रकार, डिजिटल असिस्टेंट, स्मार्टफ़ोन और लैपटॉप इन सुरक्षित और विश्वसनीय बैटरियों पर उनकी टिकाऊपन, उच्च ऊर्जा घनत्व, हल्की निर्माण, आसान चार्जिंग और कम लागत रखरखाव के लिए निर्भर होते हैं।

इसके अलावा, 3-वोल्ट क्षमता वाली छोटी Li‑ion बैटरियां घड़ियों जैसी छोटे उपकरणों में उपयोग होती हैं, जो एक दशक तक चल सकती हैं। ये बैटरियां व्यक्तिगत स्कूटर, गोल्फ कार्ट और ट्रॉली जैसी गतिशीलता समाधान को भी शक्ति प्रदान करती हैं, क्योंकि वे विद्युत चार्ज को कुशलतापूर्वक संग्रहीत और मुक्त करने में सक्षम हैं। यह क्षमता उन्हें UPS सिस्टम, आपातकालीन पावर बैकअप और सौर ऊर्जा भंडारण जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती है। अतिरिक्त रूप से, वे समुद्री और मनोरंजन वाहनों जैसे उभरते क्षेत्रों में, साथ ही पहनने योग्य पोर्टेबल मेडिकल डिवाइस में भी बढ़ते उपयोग में हैं।

लिथियम बैटरियों की बढ़ती अपनाने से उनके उत्पादन और निर्माण में वृद्धि हुई है। हालांकि, यह आवश्यक है कि ये प्रक्रियाएं बैटरियों जितनी ही सुरक्षित और व्यावहारिक हों। यह चिंता हाल ही में दक्षिण कोरिया में एक लिथियम बैटरी सुविधा में हुई दुखद आग से उजागर हुई, जिसमें 22 कर्मचारियों की मृत्यु हो गई।

बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए बैटरी निर्माताओं के संघर्ष के बारे में जानने के लिए यहाँ क्लिक करें। 

दक्षिण कोरियाई लिथियम बैटरी सुविधा में आग

On June 24th, a devastating fire broke out at a lithium battery factory in South Korea, caused by multiple battery explosions, resulting in the death of 22 workers. The facility, operated by the primary battery manufacturer Aricell, is located in Hwaseong, an industrial area southwest of Seoul.

आग शुरू होने के तुरंत बाद, विषाक्त गैस तेजी से पूरे कारखाने में फैल गई, जिसमें उस समय लगभग 35,000 बैटरियां संग्रहीत थीं। आग के इतने घातक होने का संभावित कारण समझाते हुए, दाएजोन विश्वविद्यालय के फायर और डिजास्टर प्रिवेंशन प्रोफेसर किम जे‑हो ने कहा:

“निकेल जैसे बैटरी सामग्री आसानी से ज्वलनशील होते हैं। इसलिए अक्सर, अन्य सामग्री से हुई आग की तुलना में प्रतिक्रिया करने का समय पर्याप्त नहीं रहता।”

विशेषज्ञों ने यह भी बताया कि उच्च मृत्यु दर का कारण उपयोग किए गए विषाक्त पदार्थ थे, न कि केवल जलने से। 

क्या ऐसे मामलों को रोका जा सकता है?

लिथियम‑आयन बैटरियों से निपटते समय हमेशा सावधान रहना चाहिए, क्योंकि वे ऊर्जा भंडारण उपकरणों में सबसे उच्च आयतन ऊर्जा घनत्व रखती हैं। ऑक्यूपेशनल सेफ़्टी एंड हेल्थ एडमिनिस्ट्रेशन (OSHA) ने छोटे और पहनने योग्य लिथियम बैटरी‑संचालित उपकरणों से आग और विस्फोट चोटों को रोकने के लिए विस्तृत निर्देश प्रकाशित किए हैं।

विश्व के सबसे सम्मानित प्रौद्योगिकी शिक्षा संस्थानों में से एक, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT) ने भी लिथियम‑आयन सुरक्षा मार्गदर्शन प्रकाशित किया है। उनके निर्देशों के अनुसार, इन बैटरियों को संभालने वाले किसी भी कार्यस्थल की सतहें गैर‑विधुत् और अग्निरोधी सामग्री से बनी होनी चाहिए।

यदि किसी को चालक सतह पर काम करना ही पड़े, तो उसे इंसुलेटिंग सामग्री से ढंकना अनुशंसित है। अतिरिक्त रूप से, क्षेत्र में लकड़ी की मेज़, कालीन, गैसोलीन या तेज़ वस्तुएँ जैसी ज्वलनशील या दहनशील सामग्री नहीं होनी चाहिए जो सेल की इंसुलेटिंग स्लीव को छेद सकती हैं। सर्वोत्तम कार्य तापमान 15 से 35 डिग्री सेल्सियस के बीच है, और परिवेशी तापमान कभी भी 60 डिग्री से अधिक नहीं होना चाहिए।

उचित भंडारण आग और विस्फोट के जोखिम को कम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। रिपोर्ट कई लिथियम‑आयन बैटरी आगों को अपर्याप्त भंडारण क्षेत्रों से जोड़ती है। उच्चतम सुरक्षा मानकों को बनाए रखने के लिए, भंडारण क्षेत्र को सेल डिज़ाइन, रसायन विज्ञान, तापमान, चार्ज की स्थिति और भंडारण अवधि जैसे कारकों पर विचार करना चाहिए।

बैटरी निर्माण इकाइयों को कड़े सुरक्षा उपाय अपनाने चाहिए, क्योंकि लिथियम बैटरी सुविधाओं में आग न केवल स्वयं आग के कारण बल्कि उत्पन्न विषाक्तता के कारण भी विनाशकारी हो सकती है।

जबकि निर्माण में सुरक्षा को निरंतर सुधारा जा सकता है, बैटरियों को भी स्वाभाविक रूप से सुरक्षित होना चाहिए। कुछ कंपनियां सुरक्षित लिथियम बैटरियों के उत्पादन में लगातार निवेश कर रही हैं। आगामी भागों में, हम ऐसी कंपनियों की जांच करेंगे।

#1. Panasonic Energy की लिथियम‑आयन बैटरियां

Panasonic बैटरी क्षमताओं के बढ़ने के साथ बैटरी सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए समर्पित है और उन्नत बैटरी सामग्री विकसित करने, प्रक्रियाओं को परिष्कृत करने, और नियंत्रण तकनीकों को बनाने पर केंद्रित है ताकि सुरक्षित और विश्वसनीय बैटरी उपयोग सुनिश्चित हो सके।

इनकी बैटरियों में उच्च तापमान सहन करने की क्षमता है, क्योंकि 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर तापमान पर बैटरियों को गर्म करने से विस्फोट का जोखिम बढ़ जाता है। हालांकि, Panasonic मानता है कि बैटरियों को स्टैक या गड़बड़ करने से बाहरी शॉर्ट सर्किट, गर्मी उत्पन्न, आग या विस्फोट हो सकता है।

कंपनी कड़े हैंडलिंग और स्टोरेज दिशानिर्देश का पालन करती है, जिसमें पैकिंग के दौरान बैटरी टर्मिनलों को एक-दूसरे या अन्य धातुओं से संपर्क करने की अनुमति नहीं है। यह परिवहन के दौरान कंपन, प्रभाव, गिरावट और स्टैकिंग से वस्तुओं की सुरक्षा के लिए मजबूत पैकेजिंग सामग्री का उपयोग करता है। Panasonic सख्ती से अनुशंसा करता है कि बैटरियों को कमरे के तापमान पर संग्रहीत किया जाए और उन्हें लगभग 30-50% क्षमता तक चार्ज किया जाए।

यह सिलिंडर बैटरियों, प्रिज़्मेटिक बैटरियों, पाउच‑टाइप बैटरियों और पिन‑टाइप बैटरियों सहित विभिन्न लिथियम बैटरी उत्पादों का उत्पादन करता है।

समूह की नवीनतम उपलब्ध एकीकृत रिपोर्ट के अनुसार, कंपनी ने 2023 में 8,378.9 बिलियन येन की बिक्री राजस्व दर्ज किया। 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions एक और प्रमुख वैश्विक ब्रांड है जो अपने Li‑ion बैटरी पैक निर्माण के लिए स्पष्ट दिशानिर्देशों के तहत काम करता है। यह पैक निर्माण के लिए गिरावट का अनुभव करने वाले लिथियम‑आयन बैटरी सेल्स के उपयोग को प्रतिबंधित करता है।

विद्युत शॉर्टिंग को रोकने के लिए, लिथियम‑आयन बैटरी सेल्स को धातु वस्तुओं से दूर रखा जाना चाहिए और ऐसे वातावरण में संभाला जाना चाहिए जो क्षति या प्रदूषण को रोकता हो।

इसके अलावा, लिथियम‑आयन बैटरी सेल्स की सतह पर सीधे वेल्डिंग नहीं की जानी चाहिए, और वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान सेल्स को तीव्र गर्मी या दबाव के संपर्क में नहीं लाया जाना चाहिए।

2023 में, LG ने 84,228 बिलियन KRW की बिक्री मात्रा दर्ज की, जो 2022 के 83,467 बिलियन KRW से थोड़ी बढ़ोतरी है, लेकिन 2021 के 73,908 बिलियन KRW की तुलना में उल्लेखनीय वृद्धि है।

लिथियम‑आयन बैटरी सुरक्षा चिंताएँ: एक व्यापक समीक्षा

लिथियम‑आयन बैटरी सुरक्षा चिंताओं पर व्यापक रूप से शोध करने वाला अनुसंधान ने कई संभावित मुद्दों की ओर इशारा किया जो खतरा बन सकते हैं या जोखिम उत्पन्न कर सकते हैं। 

थर्मल रनअवे, जो Li‑ion बैटरियों में सबसे हानिकारक सुरक्षा मुद्दों में से हैं, साइड रिएक्शन से उत्पन्न होते हैं। ये रिएक्शन इलेक्ट्रोलाइट के भीतर, कैथोड और एनोड के बीच, और इलेक्ट्रोड सतहों तथा ली प्लेटिंग के इंटरफ़ेस पर हो सकते हैं। ऐसे रनअवे अक्सर यांत्रिक, थर्मल या विद्युत दुरुपयोग द्वारा ट्रिगर होते हैं।

मैकेनिकल दुरुपयोग Li‑ion बैटरियों में सुरक्षा समस्याओं का कारण बन सकता है, जैसे विद्युत दुरुपयोग उनकी अखंडता को खतरे में डाल सकता है। इसी प्रकार, थर्मल दुरुपयोग, जहाँ बैटरी को थर्मल शॉक का सामना करना पड़ता है या अत्यधिक उच्च तापमान तक पहुँचती है, भी महत्वपूर्ण जोखिम पैदा करता है।

अनुसंधान सुरक्षा सुधारने के लिए आंतरिक और बाह्य दोनों रणनीतियों को भी रेखांकित करता है। Li‑ion बैटरी (LIB) सुरक्षा को बढ़ाने का एक महत्वपूर्ण तत्व एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया अंतर्निहित कूलिंग सिस्टम है। अतिरिक्त रूप से, सेल्स के बीच सही संतुलन बनाए रखना आवश्यक है; इसमें प्रत्येक चार्ज चक्र के बाद सभी सेल्स के वोल्टेज, क्षमता या चार्ज की स्थिति (SOC) को मापना और तुलना करना शामिल है।

निर्माता उत्पादन की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए कई ढाँचों का पालन कर सकते हैं। वास्तव में, कई देशों ने पहले ही ऐसे मानकों को प्रकाशित किया है, जिनमें चीनी मानक, सोसाइटी ऑफ ऑटोमोटिव इंजीनियर्स (SAE) मानक, अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन (IEC) मानक, संयुक्त राष्ट्र (UN) मानक, जापानी औद्योगिक मानक (JIS) आदि शामिल हैं।

समग्र रूप से, हम इलेक्ट्रॉनिक गैजेट्स से भरपूर युग में जी रहे हैं, जिससे लिथियम बैटरियों पर निर्भरता लगातार बढ़ रही है। जैसे ही हम अपनी तकनीकों में अधिक दक्षता और गति की खोज करते हैं, हमें यह सुनिश्चित करना चाहिए कि सुरक्षा प्राथमिकता बनी रहे। दक्षिण कोरिया में हालिया दुर्घटना इस संतुलन के महत्व की कड़ी याद दिलाती है, भविष्य में ऐसे दुर्भाग्यपूर्ण घटनाओं को रोकने की आवश्यकता को उजागर करती है।

निवेश के लिए शीर्ष दस बैटरी स्टॉक्स के बारे में जानने के लिए यहाँ क्लिक करें।