रिसाइक्लेबल बैटरियां क्षितिज पर: कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट को पानी से बदलना

वॉटर बैटरियां और आग सुरक्षा

सालों से, लिथियम-आयन बैटरियां इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों दोनों के लिए बाजार में प्रमुख बैटरी रूप रही हैं। यह उनकी ऊर्जा घनत्व और समग्र सुरक्षा के असाधारण प्रोफ़ाइल के कारण है। लेकिन जब वे विफल होती हैं, तो वे अक्सर शानदार तरीके से विफल होती हैं, अत्यधिक तीव्र आग लगाती हैं जिन्हें बुझाना कठिन होता है। यह तब भी समस्या बनती है जब बैटरियों का जीवन समाप्त हो जाता है और उन्हें रीसाइक्लिंग की आवश्यकता होती है।

सबसे बुरा परिदृश्य तब होता है जब एक बैटरी विफलता पड़ोसी बैटरियों में आग की श्रृंखला उत्पन्न करती है, जो बड़े उपयोगिता-स्तर के सिस्टम के लिए लिथियम-आयन बैटरी पार्क बनाने के समय एक वास्तविक चिंता है। लिथियम बैटरियों में आग का जोखिम मुख्यतः उन ज्वलनशील कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स से आता है जो बैटरी के एनोड और कैथोड को जोड़ते हैं।

ऑस्ट्रेलिया के RMIT में शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोलाइट को पानी से बदलकर एक समाधान खोजा हो सकता है। टीम का नेतृत्व प्रो. टियानयी मा (बाएँ) कर रहे हैं, जिन्होंने डॉ. लिंगफेंग झू (दाएँ) के साथ इस परियोजना पर काम किया।

स्रोत: RMIT

जिसे जल बैटरियां या जलीय धातु-आयन बैटरियां कहा जाता है, वे आग नहीं लगातीं या फटती नहीं हैं। वे मनुष्यों और पर्यावरण दोनों के लिए बहुत कम विषाक्तता रखती हैं।

वॉटर बैटरी के वादे

वॉटर बैटरियों का डिजाइन जस्ता और मैग्नीशियम जैसे सरल तत्वों पर निर्भर करता है, जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं और कम विषाक्तता रखते हैं, जिससे निर्माण लागत घटती है और इन्हें बड़े पैमाने पर उत्पादन करना आसान हो जाता है।

व्यावहारिक रूप से, इसका मतलब है कि वॉटर बैटरियां कई रूपों में आ सकती हैं। उदाहरण के लिए, यह एक मैग्नीशियम-आयन बैटरी या अमोनिया-आयन के रूप में हो सकती है।

और प्रो. टियानयी की टीम इन बैटरियों को व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए उन विवरणों को हल कर रही है, जो अब तक उनके अपनाने में बाधा बनते रहे हैं।

एक उदाहरण है मैंगनीज़ इलेक्ट्रोड में सुधार, मैग्नीशियम और मैंगनीज़ का उपयोग करके कैपेसिटर बनाना और “128.39 Wh/kg की ऊर्जा घनत्व के साथ अल्ट्रा-लंबी साइक्लिंग क्षमता, 6000 साइकिल के बाद 85% कैपेसिटेंस रिटेंशन” प्राप्त करना।

जलीय इलेक्ट्रोलाइट की उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल गुणधर्म और महत्वपूर्ण सुरक्षा निहितार्थ इसे बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक बनाते हैं। इसके अलावा, केशन-एनियन द्वि-त्रुटि निर्माण अवधारणा की रणनीति रिचार्जेबल धातु-आयन आधारित बैटरियों के निर्माण में आवश्यक अंतर्दृष्टि प्रदान करनी चाहिए।

डेंड्राइट्स का समाधान

अधिकांश बैटरियों में एक और समस्या डेंड्राइट्स की क्रमिक वृद्धि है। डेंड्राइट्स नुकीले धातु संरचनाएँ हैं जो समय के साथ शॉर्टकट (और लिथियम-आयन के मामले में आग) बना सकती हैं। वॉटर बैटरियां भी डेंड्राइट्स की समस्या से प्रभावित हो सकती हैं।

बैटरी के धातु भागों को बिस्मथ से कोट करने से एक सुरक्षा परत बनती है जो डेंड्राइट्स के निर्माण को रोकती है।

यह नई बैटरियों को लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में काफी अधिक टिकाऊ बनाता है, जिससे वे उपयोगिता-स्तर के बैटरी पैक्स जैसी तीव्र उपयोग के लिए उपयुक्त होती हैं, या शायद वाणिज्यिक वाहनों के लिए भी। विशेष रूप से क्योंकि वे बहुत सुरक्षित हैं, वे लिथियम-आयन के वैकल्पिक रसायनों की विविधता बढ़ाने के लिए एक अच्छा विकल्प बनती हैं, विशेष रूप से उपयोगिता-स्तर के लिए (जिसे हमने अपने लेख “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” में आगे खोजा है, जिसमें उन कंपनियों का उल्लेख है जो इन्हें व्यावसायिक स्तर पर बना रही हैं)।

“मैग्नीशियम-आयन जल बैटरियों में अल्पावधि में लीड-एसिड बैटरियों को बदलने की क्षमता है – लगभग एक से तीन वर्ष – और दीर्घावधि में संभावित रूप से लिथियम-आयन बैटरियों को बदलने की, 5 से 10 वर्षों के भीतर।” प्रो. टियानयी मा

क्या वॉटर बैटरियां भविष्य की दिशा हैं?

उपयोगिता-स्तर की बैटरियां संभवतः इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों से मूल रूप से अलग होंगी, क्योंकि दोनों समान प्रतिबंधों के तहत काम नहीं करतीं:

• ईवी बैटरियों को हल्का और छोटा, अत्यधिक ऊर्जा-घनत्व वाला, और तेज़ चार्जिंग वाला होना चाहिए।
• उपयोगिता-स्तर की बैटरियों को सस्ता, बहुत टिकाऊ, स्थिर/सुरक्षित, और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्रियों पर निर्भर होना चाहिए।

और उपयोगिता-स्तर की बैटरियों के क्षेत्र में भी, कई रसायन विज्ञान वर्षों, यदि दशकों तक, बाजार में हिस्सेदारी साझा करेंगे।

यह इसलिए है क्योंकि प्रत्येक के अपने फायदे और उपयोग मामलों होंगे, जैसे विभिन्न समय-सीमाएँ, रात/दिन चक्र या हफ्तों तक ऊर्जा संग्रहीत करना।

और क्योंकि किसी भी स्थिति में, नवीकरणीय ऊर्जा का बड़े पैमाने पर अपनाना बैटरियों के बड़े पैमाने पर अपनाने का मतलब है, और सामग्री में विविधता लाने से उन धातुओं पर मूल्य झटके से बचा जा सकेगा जो दुर्लभ नहीं हैं, लेकिन अत्यधिक अधिक आपूर्ति में भी नहीं हैं, जैसे:

• जस्ता (जस्ता बैटरियां)
• मैग्नीशियम (मैग्नीशियम-आयन)
• मैंगनीज़ (धातु हाइड्रोजन बैटरियां)
• वैनाडियम (रेडॉक्स फ्लो बैटरियां)
• एंटिमनी (पिघला धातु बैटरियां)
• सल्फर (सोडियम-सल्फर बैटरियां)

वर्तमान में कोई कंपनी मैग्नीशियम-आयन बैटरियों को बाजार में लाने पर काम नहीं कर रही है। लेकिन यह जल्द ही बदल सकता है, क्योंकि विभिन्न अन्य रसायन संयोजन बड़े पैमाने पर उत्पादन की दिशा में प्रगति कर रहे हैं।