ऊर्जा
सोडियम और हाइड्रोजन सॉलिड-स्टेट बैटरियां लिथियम को चुनौती देती हैं
लिथियम-आयन से आगे बढ़ना
With the electrification of all forms of transportation, starting with cars, and soon also encompassing trucks, ships, and possibly even planes, battery storage has become the मुख्यtechnology of the decade.
It was initially dominated by lithium-ion technology, thanks to the experience in manufacturing it for small electronics, and the inherent electrical properties of lithium.
हालांकि, लिथियम-आयन तकनीक कुछ प्रमुख समस्याएं प्रस्तुत करती है जो इसके अपनाने को सीमित कर सकती हैं:
- यह अन्य धातुओं की तुलना में अधिक महंगा और दुर्लभ है, जिससे इसका उपयोग अल्ट्रा-हाई-डेंसिटी बैटरियों या उच्च-स्तरीय उत्पादों तक सीमित हो सकता है।
- यह धातु डेंड्राइट बनाता है जो विनाशकारी विफलताओं और बैटरी आग का कारण बन सकते हैं।
- यह ठंडे तापमान में खराब काम करता है, जिससे यह ठंडे जलवायु और ठंडे क्षेत्रों में स्थायी भंडारण के लिए अनुपयुक्त बन जाता है।
इन सभी कारणों से, वैज्ञानिक और बैटरी निर्माता वैकल्पिक रसायनों की खोज कर रहे हैं। इनमें से एक है सोडियम का उपयोग, जो अल्ट्रा-प्रचुर और सस्ते समुद्री नमक के घटकों में से एक है।
सोडियम-आयन बैटरियां शीघ्र ही बड़े पैमाने पर उत्पादन चरण तक पहुंच रही हैं, जिसमें कंपनी CATL (300750.SZ) इस क्षेत्र में अग्रणी है।
“यह सोडियम बनाम लिथियम का मामला नहीं है। हमें दोनों की आवश्यकता है। जब हम कल के ऊर्जा भंडारण समाधान के बारे में सोचते हैं, तो हमें कल्पना करनी चाहिए कि वही गीगा फ़ैक्टरी लिथियम और सोडियम दोनों रसायनों पर आधारित उत्पाद बना सकती है,”
Shirley Meng– Professor in Molecular Engineering at the UChicago PME.
फिर भी, लिथियम-आयन और सोडियम-आयन बैटरियों को एक बेहतर बैटरी तकनीक के कदम के रूप में देखा जाता है: solid-state batteries.
पहले लिथियम पर केंद्रित सॉलिड-स्टेट तकनीक अब नई दिशाओं की ओर विस्तार कर रही है। उदाहरण के लिए, हमने पहले सोडियम पर आधारित एनोड-फ्री सॉलिड-स्टेट बैटरी की संभावना पर चर्चा की थी।
एक नए अध्ययन ने बताया कि सोडियम ठोस इलेक्ट्रोलाइट का एक मेटास्टेबल रूप सॉलिड-स्टेट सोडियम बैटरियों को बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, जो न केवल अधिक ऊर्जा घनत्व वाली हैं बल्कि शून्य से नीचे के तापमान पर भी प्रदर्शन बनाए रखती हैं।
यह कार्य कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, शिकागो विश्वविद्यालय, और नेशनल ताइवान यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों द्वारा किया गया और जौल पत्रिका में शीर्षक “Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes” के तहत प्रकाशित हुआ।
सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट की चुनौतियां
एक “सामान्य” बैटरी में, कैथोड और एनोड को एक तरल इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किया जाता है। यह इलेक्ट्रोलाइट बहुत उपयोगी है, लेकिन बहुत भारी भी है, और दोषपूर्ण बैटरियों में आग का मुख्य कारण है।
इसी कारण इसे ठोस पदार्थ की परत से बदलने से बैटरी न केवल अधिक घनी बनती है, बल्कि सुरक्षित भी होती है। हालांकि, इस ठोस इलेक्ट्रोलाइट को स्थिर रखना और चार्ज या डिस्चार्ज के दौरान फूलने (दरारें पैदा करने) से बचाना एक समस्या रही है।
सोडियम ठोस इलेक्ट्रोलाइट में एक अतिरिक्त समस्या है, क्योंकि वे कमरे के तापमान पर आयनिक चालकता में सीमित होते हैं।
एक विकल्प सोडियम हाइड्रिडोबोरेट जैसे पदार्थ का उपयोग हो सकता है, जिसे बहुत उच्च आयनिक चालकता के लिए जाना जाता है। लेकिन इसके लिए, इसके मेटास्टेबल रूप को बड़े पैमाने पर बैटरी में बनाए रखना आवश्यक है।
“सोडियम हाइड्रिडोबोरेट की यह मेटास्टेबल संरचना बहुत उच्च आयनिक चालकता रखती है, जो साहित्य में रिपोर्ट की गई से कम से कम एक क्रम magnitude अधिक है, और प्रीकर्सर स्वयं से तीन से चार क्रम magnitude अधिक है।”
Shirley Meng– Professor in Molecular Engineering at the UChicago PME.
सोडियम सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट को स्थिर करना
सोडियम हाइड्रिडोबोरेट के साथ बैटरी बनाते समय, ठंडा होने पर पदार्थ स्थिर संरचना की ओर बढ़ता है, जिससे NaBH4 को Na2B12H12 अणुओं से अलग किया जाता है।
उच्च तापमान पर एक मेटास्टेबल रूप मौजूद रहता है, जो दो क्रिस्टलों को मिलाता है, जिससे बैटरी में सोडियम की गति बहुत तेज़ हो जाती है, और विद्युत क्षमता बढ़ती है।
स्रोत: Joule
तेज़ी से ठंडा करने पर, पदार्थ मेटास्टेबल रूप में रहता है, क्रिस्टल अपनी संरचना बनाए रखता है, बजाय स्थिर रूप में वापस गिरने के। इस प्रकार की तेज़ ठंडा करने को क्वेंचिंग कहा जाता है, जो निर्माण में एक प्रमुख विधि है, विशेष रूप से इस्पात और अन्य धातुओं की धातु विज्ञान में।
स्रोत: Joule
स्केलेबिलिटी के लिए ज्ञात तकनीक
पहले से ही ज्ञात था कि रासायनिक संरचना को स्थिर करने के लिए क्वेंचिंग (तेज़ ठंडा करना) अक्सर उपयोगी विधि है। हालांकि, अब तक इसे सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट में प्रदर्शित नहीं किया गया था।
यह तथ्य कि यह एक सामान्यतः स्वीकृत प्रथा है, इस तकनीक को स्केलेबल बनाने और बैटरी निर्माताओं द्वारा अपनाने में बड़ी मदद कर सकता है।
“चूंकि यह तकनीक स्थापित है, हम भविष्य में इसे बेहतर तरीके से स्केल अप कर सकते हैं।
यदि आप कुछ नया प्रस्तावित कर रहे हैं या प्रक्रियाओं को बदलने या स्थापित करने की आवश्यकता है, तो उद्योग इसे स्वीकार करने में अधिक संकोच करेगा।”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
मोटा इलेक्ट्रोड और ठंडे तापमान
अधिकांश सॉलिड-स्टेट डिज़ाइन एक अल्ट्रा-थिन कैथोड बनाने की कोशिश करते हैं ताकि संपर्क सतह अधिकतम हो और वह “डेड” सामग्री की मात्रा सीमित हो जो ऊर्जा संग्रहीत नहीं करती।
क्वेंचिंग इस समस्या को स्थायी छिद्र बनाकर हल करता है जहाँ सोडियम आयन घूम सकता है।
“उस मेटास्टेबल चरण को O3-टाइप कैथोड के साथ जोड़ना, जिसे क्लोराइड-आधारित सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट से कोट किया गया है, मोटे, उच्च-क्षेत्र-लोडिंग वाले कैथोड बना सकता है जो इस नई डिजाइन को पिछले सोडियम बैटरियों से आगे ले जाता है।”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
यह एक रोचक डिजाइन संभावनाएँ बनाता है, क्योंकि इस विशेष मामले में इलेक्ट्रोड को मोटा बनाना बैटरी को सुधारना चाहिए, न कि उसे ख़राब करना।
“जितना मोटा कैथोड होगा, बैटरी की सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व – एक विशिष्ट क्षेत्र में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा – उतनी ही बेहतर होगी,”
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
कैथोड का परीक्षण करते समय, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रदर्शन कमरे के तापमान पर और यहाँ तक कि जमाव बिंदु से नीचे भी बना रहा — पारंपरिक तरल-इलेक्ट्रोलाइट लिथियम-आयन की तुलना में ठंडे जलवायु संचालन के लिए एक उल्लेखनीय लाभ — हालांकि व्यावसायिक लिथियम-आयन के मुकाबले व्यापक, सिस्टम-स्तर की श्रेष्ठता अभी तक प्रदर्शित नहीं हुई है।
हाइड्रोजन एक चार्ज कैरियर के रूप में
जब हम हाइड्रोजन की चर्चा परिवहन और हरित ऊर्जा के संदर्भ में करते हैं, तो आमतौर पर हम डायहाइड्रोजन (H2) और उसके दहन या ऑक्सीकरण को समर्पित इंजनों या ईंधन कोशिकाओं में देखते हैं।
लेकिन हाइड्रोजन भविष्य में बैटरियों का एक प्रमुख घटक बनने की संभावना रखता है, लिथियम या सोडियम को बदलते हुए। इस मामले में, हाइड्राइड (H-) का उपयोग किया जाता है।
चूंकि हाइड्रोजन ब्रह्मांड का सबसे प्रचुर तत्व है, यह पूरी तरह से विद्युतीकृत और हरित ऊर्जा व बैटरियों पर चलने वाली दुनिया के लिए विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है।
चीन के शोधकर्ताओं ने, जो यूनिवर्सिटी ऑफ चाइना एकेडमी ऑफ साइंसेज़, यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑफ चाइना (USTC), जिलिन यूनिवर्सिटी, और पीपल्स रिपब्लिक ऑफ चाइना स्टेट की लैबोरेटरी ऑफ कैटालिसिस में कार्यरत हैं, ने प्रतिष्ठित वैज्ञानिक समीक्षात्मक जर्नल नेचर में “A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery” शीर्षक के तहत सॉलिड-स्टेट हाइड्राइड आयन बैटरी की अवधारणा को उजागर किया।
हाइड्राइड आयन
बैटरियां नकारात्मक चार्ज कैरियर का उपयोग करती हैं जो इलेक्ट्रॉनों को एनोड और कैथोड के बीच ले जाता है। सिद्धांत रूप में, हाइड्राइड आयन (H−) लिथियम या सोडियम जैसे केशनों की तुलना में अधिक ऊर्जा वाले, ध्रुवीय, और प्रतिक्रियाशील होते हैं।
हाइड्रोजन सबसे छोटा परमाणु भी है, जिससे यह विशेष रूप से हल्का होता है, जो परिवहन में उपयोग की जाने वाली बैटरियों के लिए एक प्रमुख बिंदु है।
हालांकि, इन ज्ञात लाभों के बावजूद, हाइड्राइड आयनों का अब तक बैटरियों में उपयोग नहीं हुआ है, क्योंकि कोई भी इलेक्ट्रोलाइट तेज आयन गति, थर्मल स्थिरता, और इलेक्ट्रोड संगतता का संयोजन प्रदान नहीं कर पाया है, जो ऐसे सिस्टमों को आवश्यक है।
चालकता को स्थिरता के साथ मिलाना
शोधकर्ताओं ने एक नया कोर-शेल कंपोजिट हाइड्राइड, 3CeH3@BaH2, संश्लेषित किया, जहाँ एक पतली BaH2 शैल CeH3 को घेरती है। यह संरचना CeH3 की उच्च हाइड्राइड आयन चालकता और BaH2 की स्थिरता का लाभ उठाती है।
इस शैल कंपोजिट को बिल्डिंग ब्लॉक के रूप में उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4 सभी-ठोस-स्थिति हाइड्राइड आयन प्रोटोटाइप बनाया। NaAlH4, एक क्लासिक हाइड्रोजन स्टोरेज सामग्री, को कैथोड सक्रिय घटक के रूप में उपयोग किया गया।
डेंड्राइट को हमेशा के लिए हटाना?
उच्च ऊर्जा क्षमता के अलावा, हाइड्राइड आयनों का एक और बड़ा लाभ है: धातु केशनों के विपरीत, वे एक साथ जुड़कर डेंड्राइट नहीं बना सकते, जो बहुत सारे चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद अधिकांश बैटरी विफलताओं का मूल कारण है, जिससे शॉर्ट-सर्किट और आग लगती है।
इसलिए यह सुरक्षित, कुशल, और सतत ऊर्जा भंडारण का मार्ग हो सकता है।
हालांकि, यह तकनीक लिथियम बैटरियों या यहां तक कि सोडियम बैटरियों की तुलना में बहुत कम परिपक्व है, और इस डिजाइन की टिकाऊपन में प्रगति की आवश्यकता है।
वर्तमान में, शोधकर्ताओं ने कमरे के तापमान पर 984 mAh/g की उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त की। लेकिन बैटरी क्षमता केवल 20 चक्रों के बाद 402 mAh/g तक घट गई।
सॉलिड-स्टेट बैटरियों का भविष्य
निकट भविष्य में, लिथियम-आयन तकनीक का उपयोग करने वाली बैटरियां संभवतः हरित ऊर्जा और इलेक्ट्रिक वाहनों की आधार बनी रहेंगी।
हालांकि, मध्यम अवधि में, सॉलिड-स्टेट बैटरियां या सोडियम (और सॉलिड-स्टेट सोडियम) लिथियम-आयन के प्रभुत्व को हटाने में सक्षम हो सकती हैं, विशेषकर यदि वे कम कीमत पर पर्याप्त उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान कर सकें।
सॉलिड-स्टेट बैटरियों की तेज़ चार्जिंग भी उन ड्राइवरों या व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए एक कारण हो सकती है जो EVs में बदलने में संकोच करते हैं।
टिकाऊपन और ठंडे तापमान के प्रति सहनशीलता भी इस समीकरण में एक कारक होगी, जिससे 2030 के दशक में विभिन्न बैटरी रसायनों की एक विस्तृत श्रृंखला समानांतर में सह-अस्तित्व में रह सकती है, जिसमें ठंडे जलवायु में EVs के लिए कुछ विशेषीकृत बैटरियां होंगी।
आप इन विषयों के बारे में हमारे निम्नलिखित लेखों में अधिक पढ़ सकते हैं:
स्क्रॉल करने के लिए स्वाइप करें →
| बैटरी प्रकार | ऊर्जा घनत्व | साइकिल जीवन | लागत | परिपक्वता |
|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ion | 250–300 Wh/kg | 1,000+ cycles | उच्च | वाणिज्यिक |
| Sodium-Ion | 160–200 Wh/kg | 1,000+ cycles | निम्न | स्केलिंग (CATL) |
| Solid-State (Lithium) | 350–500 Wh/kg | >2,000 cycles (लक्ष्य) | उच्च (R&D) | पायलट (2026–27) |
| Hydride Ion | 984 mAh/g (प्रोटोटाइप) | 20 cycles (वर्तमान) | अज्ञात | प्रारंभिक अनुसंधान |
सॉलिड-स्टेट बैटरियों की कंपनी
QuantumScape
(QS )
2010 में अपनी स्थापना के बाद से, कैलिफ़ोर्निया स्थित QuantumScape सॉलिड-स्टेट बैटरी क्षेत्र में एक प्रमुख स्टार्टअप रहा है, जो इस क्षेत्र में जल्दी प्रवेश करने और बड़े बैटरी निर्माताओं से स्वतंत्र होने के कारण उल्लेखनीय है, जो भी सॉलिड-स्टेट तकनीक का अनुसरण कर रहे हैं, जैसे CATL (300750.SZ), सैमसंग, या LG Energy Solution (373220.KS)।
स्रोत: QuantumScape
QuantumScape बैटरियों की एक अनूठी विशेषता, जो अपने प्रकट होने के समय क्रांतिकारी मानी गई थी, यह है कि यह एनोड-फ्री डिजाइन का उपयोग करती है।
यह लगभग 15 मिनट की तेज़ चार्ज (45 ºC पर 10-80%) की अनुमति देता है और सेपरेटर ज्वलनशील और दहनशील नहीं है।
स्रोत: QuantumScape
यह QuantumScape बैटरियों को ऊर्जा घनत्व और चार्जिंग गति के मामले में एक अलग स्तर पर रखता है, जो टेस्ला जैसे नेताओं को अत्यधिक बेहतर प्रदर्शन करता है (उनके अपने डिजाइन और CATL-निर्मित बैटरियों दोनों)।
स्रोत: QuantumScape
हालांकि, इन उल्लेखनीय प्रदर्शन को नियमित रूप से उत्पादन बढ़ाने में संघर्ष के कारण बाधित किया गया है। इससे कंपनी को अपनी नकदी राशि जलाने के लिए मजबूर होना पड़ा, जिससे पूर्व निवेशकों का पतला होना और शेयर कीमतों में गिरावट आई।
यह 2024 में PowerCo, Volkswagen समूह की बैटरी डिवीजन, के साथ हुए समझौते के बाद बदलता दिख रहा है, जिसमें QuantumScape बैटरियों के डिजाइन और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए लाइसेंसिंग डील शामिल है।
गैर-विशेष लाइसेंसिंग डील के तहत, PowerCo प्रति वर्ष 40 गिगावॉट-घंटे इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों का उत्पादन कर सकता है, और इसे 80 GWh प्रति वर्ष तक बढ़ाने का विकल्प है।
QuantumScape उत्पादन के अचानक स्केल-अप को Cobra से जोड़ा गया है, कंपनी का अगली पीढ़ी का सॉलिड-स्टेट बैटरी सेपरेटर उपकरण, जो सिरेमिक निर्माण में एक उपलब्धि है।
समग्र रूप से, Cobra को 2025 में उत्पादन में एकीकृत किया जाना चाहिए, और QuantumScape बैटरियों का उपयोग करने वाली पहली तैयार EV 2026 में निर्मित होगी।
स्रोत: QuantumScape
यह कंपनी के लिए एक मोड़ हो सकता है, जो स्थापना के 16 साल बाद एक आशाजनक स्टार्टअप से, जिसमें रोचक आईपी था, विश्व के सबसे बड़े ऑटोमेकर्स में से एक के साथ साझेदारी से बढ़ती आय उत्पन्न करने की ओर बढ़ रहा है।
PowerCo के साथ संबंध 2025 में और करीब आ रहा है, डुकेती मोटरसाइकिल में उपयोग किए गए सॉलिड-स्टेट बैटरियां, और PowerCo अगले दो वर्षों में संयुक्त स्केल-अप टीम द्वारा कुछ माइलस्टोन हासिल करने पर नई भुगतान के रूप में $131 मिलियन तक प्रदान करेगा।
“यह विस्तारित समझौता दोनों कंपनियों के बीच बढ़ती रणनीतिक, तकनीकी, और वित्तीय संरेखण का स्पष्ट संकेत है।
यह बैटरी उद्योग के लिए एक गेम-चेंजिंग प्लेटफ़ॉर्म के रूप में QSE-5 में हमारी साझा विश्वास को दर्शाता है।”
इस बीच, निवेशकों को अभी भी स्टॉक कीमत में कुछ अस्थिरता की उम्मीद रखनी चाहिए, लेकिन उत्पाद विकास टनल के अंत में एक रोशनी है।
(आप हमारे लेख में US और विदेशों की अन्य बैटरी कंपनियों को भी देख सकते हैं निवेश के लिए शीर्ष 10 बैटरी स्टॉक्स).
उद्धृत अध्ययन
1. Jin An Sam Oh, et al. Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes. Joule. 102130. 16 सितंबर, 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 17 सितंबर, 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
