सोडियम-एयर फ्यूल सेल्स बैटरी उड़ान को वास्तविकता के करीब लाते हैं

Researchers from MIT and other lending institutions unveiled a sodium-air fuel cell design capable of powering aircraft. The revolutionary concept provides higher energy density while naturally capturing atmospheric carbon dioxide. Here’s how sodium-air fuel cells could revolutionize air travel in the years to come.

बैटरी चुनौतियां विमानन में

जबकि इलेक्ट्रिक वाहन सामान्य होते जा रहे हैं, विमानन क्षेत्र ने ऐसी वृद्धि नहीं देखी है। कुछ विकल्प मौजूद हैं, लेकिन वे व्यक्तिगत विमान हैं, जो केवल कुछ यात्रियों तक सीमित हैं। इस विकास की कमी का मुख्य कारण यह है कि बैटरी तकनीक अभी तक वाणिज्यिक एयरलाइनरों को शक्ति प्रदान करने के लिए आवश्यक मानदंडों को पूरा नहीं कर पाई है। आज की लिथियम-आयन बैटरियां भारी हैं, और एक एयरलाइनर को शक्ति देने के लिए आवश्यक मात्रा में बहुत अधिक सेल्स की आवश्यकता होती है।

इलेक्ट्रिक विमानन में शक्ति अंतर

बैटरी-संचालित उड़ान हासिल करने के लिए, इंजीनियरों को वर्तमान इलेक्ट्रिक वाहन की लिथियम-आयन बैटरियों को 300 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम से बढ़ाकर 1,000 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम तक ले जाना होगा। लिथियम-आयन बैटरियों की शक्ति घनत्व को तीन गुना बढ़ाना संभव नहीं है, लेकिन अन्य विकल्प उभरने लगे हैं।

धातु-एयर बैटरियां: उच्च ऊर्जा, कम रिचार्ज क्षमता

पिछले कुछ दशकों में लिथियम-एयर या सोडियम-एयर जैसी धातु-एयर बैटरियों पर व्यापक शोध किया गया है। इनमें अधिक घनत्व होता है, लेकिन रिचार्जिंग के संबंध में कुछ गंभीर समस्याएं भी हैं। क्षारीय धातु-एयर बैटरियों की रासायनिक प्रतिक्रिया से ठोस डिस्चार्ज उत्पाद बनते हैं, जिन्हें हटाना कठिन होता है, जिससे इकाइयाँ केवल कुछ चक्रों के बाद अप्रचलित हो जाती हैं। सौभाग्य से, यह स्थिति बदल सकती है।

सोडियम-एयर फ्यूल सेल की सफलता

MIT के शोधकर्ताओं ने, विभिन्न संस्थानों के वैज्ञानिकों के साथ मिलकर, एक सोडियम-धातु फ्यूल सेल प्रौद्योगिकी प्रस्तुत की है जो पिछले मुद्दों को कम करने में मदद कर सकती है और स्वच्छ पोर्टेबल ऊर्जा में एक नया युग लाने की संभावना रखती है।
The study उच्च ऊर्जा घनत्व और कम लागत वाली विद्युत शक्ति के लिए सोडियम-एयर फ्यूल सेल published in the journal Joule, delves into a specially designed liquid sodium metal-air fuel cell. The fuel cell integrates a solid electrolyte membrane that allows the battery to adjust the humidity and air stream to enhance performance.

सोडियम-एयर फ्यूल सेल पारंपरिक बैटरियों से कैसे अलग हैं

एक फ्यूल सेल बैटरी की तरह काम करता है, मुख्य अंतर यह है कि ऊर्जा उत्पन्न करने वाली सामग्री को बदल दिया जाता है। यह डिज़ाइन यात्रा के लिए आदर्श है क्योंकि यह रिचार्ज की आवश्यकता को समाप्त कर देता है। इसके बजाय, बैटरियों को पुनः ईंधन दिया जाता है।
पुराना इलेक्ट्रोड फिर फैक्ट्री भेजा जाता है जहाँ उसे प्रक्रिया करके फिर से भरकर पुनः उपयोग के लिए वापस भेजा जाता है। इस मामले में, सोडियम का उपयोग किया जाता है। इसका पिघलने बिंदु केवल 98 डिग्री सेल्सियस है, जो कम लागत वाले रीफ़्यूलिंग के लिए आदर्श बनाता है।

सोडियम-एयर फ्यूल सेल डिज़ाइन के भीतर

सोडियम-एयर फ्यूल सेल एक सामान्य और सस्ती तरल सोडियम धातु का उपयोग करता है जो इकाई के एक पक्ष में स्थित होती है। दूसरे पक्ष में खुली हवा का कक्ष होता है। दोनों परतों के बीच एक इलेक्ट्रोलाइट होता है। इलेक्ट्रोलाइट की हवा की ओर वाली सतह पर छिद्रयुक्त संरचना होती है, जो सोडियम आयनों को स्वतंत्र रूप से गुजरने और O2 के साथ प्रतिक्रिया करके बिजली उत्पन्न करने की अनुमति देती है।

प्रोटोटाइप और फ्यूल सेल कार्ट्रिज डिज़ाइन

इंजीनियरों ने दो परीक्षण योग्य प्रोटोटाइप बनाए। दोनों संस्करणों ने ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए समान दृष्टिकोण अपनाया। हालांकि, एक को क्षैतिज रूप से बैठाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। दोनों ने एक रिचार्जेबल कार्ट्रिज का उपयोग किया जो तरल सोडियम धातु से भरा गया और फिर सील किया गया।

स्रोत – Joule

H-सेल डिज़ाइन: यह कैसे काम करता है

H-सेल प्रोटोटाइप अक्षर H जैसा दिखता था, जिसमें दो लंबवत कांच की ट्यूबें मध्य में ठोस इलेक्ट्रोलाइट-भरी ट्यूब द्वारा जुड़ी होती थीं। मध्य ट्यूब में सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट सामग्री और छिद्रयुक्त एयर इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है ताकि तरल सोडियम धातु और ऑक्सीजन के बीच एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया बन सके, जिससे सोडियम ईंधन का उपभोग हो। दूसरा डिज़ाइन H के समान है, लेकिन आधार में बदलाव किया गया है। इस सेटअप में इलेक्ट्रोलाइट सामग्री की एक ट्रे का उपयोग किया जाता है जो छिद्रयुक्त एयर इलेक्ट्रोड के ऊपर बैठती है।

रोचक बात यह है कि इन प्रतिक्रियाओं का उपउत्पाद वायुमंडलीय हवा के साथ मिलकर सोडियम कार्बोनेट बनाता है। कई अन्य स्वाभाविक रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से, उत्सर्जन सोडियम बाइकार्बोनेट में बदल जाता है, जिसे बेकिंग सोडा के नाम से भी जाना जाता है।

यह सोडियम बाइकार्बोनेट पर्यावरण के लिए लाभदायक है। जब इसे समुद्र में मिलाया जाता है, तो यह पानी को अम्लीयता से मुक्त करने में मदद कर सकता है। फ्यूल सेल डिज़ाइन में एक अतिरिक्त सफाई शक्ति की परत जोड़ता है।

नमी की भूमिका फ्यूल सेल दक्षता में

एक प्रमुख खोज जिसने शोधकर्ताओं को आश्चर्यचकित किया, वह प्रक्रिया में नमी के समग्र प्रभाव थी। इंजीनियरों ने देखा कि हवा में नमी की मात्रा का इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया पर बड़ा प्रभाव पड़ता है।
उन्होंने नोट किया कि नमी उपयोगी थी क्योंकि यह सोडियम डिस्चार्ज को तरल रूप में बनाती थी। इस खोज ने उन्हें ठोस बैटरी कचरे को समाप्त करने की अनुमति दी, जिसे पुनः भरने के लिए हटाना बहुत कठिन होता है। तरल अवशेष को दबावयुक्त हवा का उपयोग करके आसानी से बाहर निकाला जा सकता है, जिससे लागत कम होती है।

सोडियम-एयर फ्यूल सेल का परीक्षण

इंजीनियरों ने अपने सिद्धांतों की जांच के लिए कई परीक्षण किए। उन्होंने विभिन्न दृष्टिकोणों को देखने और प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए सटीक एयर स्ट्रीम और नियंत्रित नमी का उपयोग किया। उनके परीक्षण परिणाम आश्चर्यजनक थे, जिसमें नया फ्यूल सेल डिज़ाइन सभी पूर्व बैटरी डिज़ाइनों से बेहतर साबित हुआ।

परिणाम: लिथियम-आयन से 3 गुना अधिक ऊर्जा घनत्व

इंजीनियरों को यह देखकर उत्साह आया कि उनका निर्माण पारंपरिक बैटरियों से 3 गुना अधिक प्रदर्शन कर रहा है। उन्होंने स्टैक-स्तर की ऊर्जा घनत्व को 80 mA/cm2 पर 1,200 Wh/kg दर्ज किया। इस प्रदर्शन के लिए केवल 2.3 सेमी मोटी सोडियम धातु की आवश्यकता थी ताकि निरंतर संचालन बनाए रखा जा सके।

सोडियम-एयर फ्यूल सेल के लाभ

कई लाभ सोडियम-एयर बैटरियों को भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए एक मजबूत दावेदार बनाते हैं। सबसे पहले, उनकी लागत बहुत कम है। लिथियम-आयन बैटरियां निर्माण में महंगी और भारी होती हैं। साथ ही, वे बहुत अधिक कचरा उत्पन्न करती हैं। सोडियम धातु का उपयोग बहुत सस्ता है। अतिरिक्त रूप से, संयुक्त राज्य अमेरिका ने इस सामग्री का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया है क्योंकि इसे टेट्राएथाइल लीड में एक एडिटिव के रूप में उपयोग किया जाता है।

ऊर्जा घनत्व के लाभ

सोडियम-एयर बैटरी पारंपरिक लिथियम-आयन सेटअप की तुलना में 3 गुना वजन-से-शक्ति अनुपात प्रदान करती है। यह अतिरिक्त शक्ति घनत्व वजन-संवेदनशील अनुप्रयोगों के लिए द्वार खोलता है। अतिरिक्त ऊर्जा का अर्थ यह भी है कि बैटरियों को छोटे और अधिक आकार-फ़िट बनाने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे भविष्य के डिज़ाइनरों की जरूरतें पूरी हों।

लिथियम-आयन की तुलना में बेहतर सुरक्षा

सोडियम-एयर बैटरियों का एक और लाभ यह है कि वे लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में बहुत अधिक सुरक्षित हैं। इंटरनेट पर लिथियम-आयन बैटरियों के थर्मल रनवे के कारण आग लगने और विस्फोट होने की कई कहानियां हैं। सोडियम-एयर बैटरियों में थर्मल रनवे का जोखिम बहुत कम होता है, मुख्यतः क्योंकि एक पक्ष केवल हवा से भरा होता है, जबकि अन्य डिज़ाइनों में दो अभिकारक होते हैं।

पर्यावरणीय लाभ और वायु शोधन उपउत्पाद

सोडियम-एयर बैटरियों का मुख्य लाभ यह है कि वे बहुत अधिक स्वच्छ हैं। उनका उपउत्पाद स्वाभाविक रूप से प्रदूषकों के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया करता है और उन्हें उपयोगी रसायनों में बदल देता है। यह दृष्टिकोण लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में अधिक सतत है, जो उम्र बढ़ने पर लैंडफ़िल समस्याएं पैदा कर रही हैं।

वास्तविक दुनिया के उपयोग केस और व्यावसायीकरण समयरेखा

सोडियम-एयर बैटरियों के कई उपयोग हैं। ये बैटरियां कम लागत पर उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान करती हैं। उनका हल्का डिज़ाइन उन्हें वाणिज्यिक ट्रक अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए आदर्श बनाता है, जिसमें माल ट्रकिंग, ट्रेन, नाव और विमानन शामिल हैं।

विमानन: सोडियम-एयर फ्यूल सेल्स का प्रमुख लक्ष्य

सोडियम-एयर बैटरियां इलेक्ट्रिक विमानन के युग को लाने में मदद कर सकती हैं। ये उपकरण प्रतिस्थापनीय फ्यूल सेल ट्रे का उपयोग करके वैश्विक यात्राओं और अधिक को शक्ति प्रदान कर सकते हैं। इंजीनियरों ने एक अवधारणा का वर्णन किया जहाँ फ्यूल सेल का उपउत्पाद विमान के पारंपरिक निकास से बाहर निकलता है, जिससे विमान यात्रा के दौरान हवा को साफ करता है।

समयरेखा और व्यावसायिक दृष्टिकोण

शोधकर्ता इस प्रौद्योगिकी को यथासंभव जल्दी व्यावसायिक क्षेत्र में लाने के लिए उत्सुक हैं। उन्होंने पहले ही Propel Aero नामक कंपनी बनाई है जो अवधारणा को बाजार में लाने के लिए फंडिंग सुरक्षित करने में मदद करती है। इंजीनियरों के अनुसार, उनका लक्ष्य एक ईंट-आकार का फ्यूल सेल बनाना है जो बड़े वाणिज्यिक ड्रोन को विश्वसनीय 1,000 वाट-घंटा ऊर्जा प्रदान कर सके।

सोडियम-एयर फ्यूल सेल शोधकर्ता

सोडियम-एयर फ्यूल सेल अध्ययन को Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Yet-Ming Chiang, Alden Friesen, Kailash Raman, William Woodford, Shashank Sripad, और Venkatasubramanian Viswanathan ने प्रस्तुत किया। इस परियोजना को Breakthrough Energy Ventures, National Science Foundation, और ARPA-E से वित्तीय समर्थन मिला।

बैटरी सेक्टर में निवेश

दुनिया को बेहतर बैटरियां लाने की दौड़ चल रही है, और निर्माता नई समाधान के साथ आगे बढ़ रहे हैं। दुनिया वायरलेस है, और बैटरियां उनका प्रतिस्थापन हैं। इस प्रकार, बैटरी तकनीक सबसे तेज़ नवाचार तकनीकों में से एक बन गई है। यहाँ एक कंपनी है जो इस दिशा में अग्रणी है।

Enovix Corp.

Enovix Corp (ENVX ) ने 2006 में बाजार में प्रवेश किया और इसका मुख्यालय फ्रेमोंट, कैलिफ़ोर्निया में है। कंपनी के संस्थापकों, Harold Jones Rust III, Ashok Lahiri, और Murali Ramasubramanian, ने इलेक्ट्रिक वाहनों और अन्य उन्नत तकनीकों को शक्ति देने के लिए अधिक कुशल लिथियम-आयन बैटरी बनाने की इच्छा रखी। लॉन्च के बाद से, Enovix ने एक अग्रणी भावना बनाए रखी है।