मोबिलिटी का भविष्य – बैटरी तकनीक

इलेक्ट्रिक वाहनों का उदय

जब टेस्ला की स्थापना 2003 में हुई थी, तब इलेक्ट्रिक कारों का विचार मुख्यतः एक मजाक के रूप में देखा जाता था। उस समय, हर इलेक्ट्रिक कार मूलतः एक शानदार गोल्फ कार्ट जैसी थी, जिसमें बैटरी रेंज कम, आराम कम, आकार छोटा, और शीर्ष गति बहुत कम थी।

टेस्ला रोडस्टर (पहली पीढ़ी, जहाँ 2026 में एक नया संस्करण अपेक्षित है) ने इस धारणा को पूरी तरह बदल दिया, लक्ज़री स्पोर्ट्स कार के प्रदर्शन के साथ, जिससे इलेक्ट्रिक कारें (ईवी) अचानक कूल हो गईं।

ईवी को अचानक व्यावहारिक बनाने वाला मुख्य भाग बैटरी तकनीक में प्रगति था। शुरुआत में, यह छोटे इलेक्ट्रॉनिक बाजार के लिए डिज़ाइन की गई लिथियम-आयन बैटरियों पर निर्भर था। और जल्द ही, अधिक समर्पित सिस्टम विकसित किए गए ताकि ईवी को अधिक स्वायत्तता मिल सके।

2016 में भी छोटी मात्रा से शुरू होकर, इलेक्ट्रिक कारें (ईवी) अब वैश्विक बिक्री का घातीय रूप से बढ़ता हिस्सा बन गई हैं, 2022 में 10 मिलियन से अधिक इलेक्ट्रिक कारें बेची गईं, यानी वैश्विक बिक्री का 14%, जिसमें चीन और यूरोप अग्रणी हैं।

वैश्विक ईवी बिक्री – स्रोत: IEA

फिर भी, इस प्रगति के बावजूद, ईवी अपनाने के बारे में कुछ प्रश्न अनसुलझे रह गए हैं। उच्च महंगाई और आम जनता—केवल शुरुआती अपनाने वालों नहीं—को मनाने की आवश्यकता के कारण ईवी बिक्री धीमी पड़ गई है। इससे हाल ही में प्रमुख निर्माताओं, जैसे जीएम, फोर्ड, या होंडा, द्वारा ईवी रणनीति को स्थगित या रद्द करने का कदम उठाया गया।

वर्तमान सीमाएँ

प्रारंभिक ईवी उत्साही उन वाहनों का उपयोग करके खुश थे जो अधिक कार्बन-न्यूट्रल हो सकते थे और नई तकनीक का प्रतिनिधित्व करते थे। कम पर्यावरणीय चिंताओं वाले खरीदार अभी भी विभिन्न कारणों से ईवी के प्रति कुछ हद तक संदेहपूर्ण हैं:

• कीमत: अधिकांश ईवी अभी भी उनके आंतरिक दहन इंजन (ICE) समकक्ष से अधिक महंगे होते हैं। ब्याज दरों के बढ़ने से, यह कई लोगों के लिए ईवी को बहुत महंगा बना सकता है।
• रेंज एंग्जायटी: ईवी की कीमत कम करने का एक तरीका छोटा बैटरी पैक चुनना है। लेकिन इससे कम रेंज लंबी यात्राओं को कठिन बना देती है, और चार्जिंग समय भी लंबा हो सकता है।
• ठंडा मौसम: जितना ठंडा जलवायु होगा, बैटरियों को उतना ही नुकसान पहुंचता है। अधिकांश ईवी को सर्दियों की रातों में चार्जिंग पर रहना पड़ता है यदि वे गर्म गैरेज में नहीं हैं। इसके अलावा, ठंड ईवी की सैद्धांतिक रेंज को घटा देती है।
• चार्जिंग बुनियादी ढांचा: अपार्टमेंट में रहने वाले लोग अपने ईवी को रिचार्ज करने में कठिनाई महसूस कर सकते हैं यदि पर्याप्त सार्वजनिक चार्जिंग स्टेशन उपलब्ध नहीं हैं। लंबी कतारें, धीमी चार्जिंग या निकट में कोई स्टेशन न होना खराब अनुभव पैदा कर सकता है।
• बैटरी सुरक्षा और टिकाऊपन: लिथियम-आयन बैटरियों में बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत होती है। और बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट बहुत ज्वलनशील होते हैं। इससे बैटरियां संभावित सुरक्षा जोखिम बन सकती हैं, विशेष रूप से भूमिगत पार्किंग जैसी बंद जगहों में। यह नहीं कहा जा रहा कि ICE कारें ज्वलनशील नहीं हैं, लेकिन यह अभी भी एक चिंता है।
• विद्युत ग्रिड: जबकि यह ईवी खरीदारों के लिए बड़ी चिंता नहीं है, यह पूरे सेक्टर के लिए समस्या बन सकता है। विद्युत ग्रिड पहले से ही कुछ हद तक तनावपूर्ण हैं, और लाखों वाहनों की रिचार्जिंग को संभाल नहीं सकते। बिजली का स्रोत भी एक मुद्दा है, जिसमें बहुत हिस्सा जीवाश्म ईंधन, जैसे कोयला, से आता है।

वर्तमान ईवी की अधिकांश समस्याओं को बेहतर बैटरियों से हल किया जा सकता है। धीमी चार्जिंग, बहुत कम रेंज, सुरक्षा समस्याएं, ठंड के प्रति संवेदनशीलता, और यहाँ तक कि कीमत सभी वर्तमान लिथियम-आयन बैटरियों की विशेषताएं हैं।

शोधकर्ता और उद्योग के नेता इन कमियों को दूर करने के लिए कड़ी मेहनत कर रहे हैं, या तो मौजूदा डिजाइन को सुधारकर या पूरी नई बैटरी निर्माण विधियों का आविष्कार करके।

समग्र रूप से, अधिक घनी बैटरियां सस्ती, सुरक्षित बैटरियां होती हैं जो अधिक समय तक चलने और तेज़ चार्ज होने की संभावना रखती हैं।

लिथियम बैटरियों में सुधार

पहला कदम मौजूदा बैटरियों में सुधार करना और इस तकनीक के ज्ञान और अनुभव का उपयोग करना है। कुछ शोधकर्ता मानते हैं कि वर्तमान पीढ़ी की बैटरियों को 2030 तक क्रमिक रूप से सुधारा जा सकता है: “लिथियम-आयन बैटरियों और उससे आगे के संभावनाएँ—एक 2030 दृष्टिकोण”।

पहला भाग बैटरी के कैथोड भाग को सुधारना है, जो वर्तमान में लिथियम-आयन बैटरियों में मुख्यतः लिथियम और निकेल से बना होता है। क्रिस्टलीय संरचना और बैटरी के उम्र बढ़ने पर रासायनिक परिवर्तन की गहरी समझ बैटरियों की सभी विशिष्टताओं को सुधार सकती है।

एनोड, जो वर्तमान में ग्रेफाइट से बने होते हैं, उन्हें 5x-10x अधिक ऊर्जा-घनी सिलिकॉन या सिलिकॉन ऑक्साइड से बदला जा सकता है। अब तक यह कठिन रहा है, क्योंकि सिलिकॉन एनोड बहुत जल्दी “उम्र” बढ़ाते हैं। ग्रेफाइट-सिलिकॉन मिश्रण पहले से ही अधिक सामान्य हो रहे हैं, और वे बैटरियों की कुल ऊर्जा को बढ़ाने में मदद कर सकते हैं।

एनोड और कैथोड को जोड़ने वाले इलेक्ट्रोलाइट को बदलना भी मददगार हो सकता है। नई प्रकार की तरल सॉल्वेंट, अधिक सघन इलेक्ट्रोलाइट, या शायद जेल जैसी इलेक्ट्रोलाइट सुरक्षा प्रोफ़ाइल को सुधार सकते हैं और बैटरी घनत्व बढ़ा सकते हैं।

अंत में, एक बेहतर डिजाइन बैटरियों और ईवी के बीच संबंध को अनुकूलित करने का विकल्प है। कई ईवी निर्माताओं ने अब तथाकथित स्ट्रक्चरल बैटरियों का उपयोग शुरू किया है जो ऊर्जा भंडारण और वाहन के संरचनात्मक घटकों दोनों के रूप में कार्य करती हैं। इससे कुल कार वजन कम हो सकता है, जिससे दक्षता और रेंज बढ़ती है। रोल्स-रॉयस, टेस्ला, और वोल्वो पहले से ही इस विचार पर काम कर रहे हैं, जो रेंज को 16% तक बढ़ा सकता है।

सॉलिड स्टेट बैटरियां

लंबे समय से सिद्धांतित और धीरे-धीरे प्रयोगशालाओं में वास्तविकता बन रही सॉलिड स्टेट बैटरियों को अक्सर बैटरी तकनीक का पवित्र ग्रेल कहा जाता है।

विचार यह है कि तरल इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता को पूरी तरह हटाया जाए, जिससे बैटरी का वजन काफी कम हो और उसकी घनत्व में नाटकीय वृद्धि हो। ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट को हटाने से बैटरी बहुत अधिक सुरक्षित होनी चाहिए। इलेक्ट्रोलाइट को हटाने से उत्पादन प्रक्रिया भी सरल हो जाएगी; निर्माण लाइन में 3 हफ्ते तक की प्रक्रिया को हटाया जा सकता है।

अंत में, ऐसे डिज़ाइन लगभग 3-5 मिनट में पूरी रिचार्ज का वादा करते हैं, या गैसोलीन कार को ईंधन भरने के समान समय में।

कई कंपनियां 2026-2029 तक अपनी स्वयं की सॉलिड स्टेट बैटरियों के संस्करण लॉन्च करने की बात कर रही हैं। इसमें क्वांटमस्केप (QS), CATL (300750.SZ), टोयोटा (TM), पैनासोनिक (6752.T), LG (051910.KS), और सैमसंग SDI (006400.KS) शामिल हैं। वर्तमान में, टेस्ला (TSLA) लिथियम-आयन तकनीक पर आधारित 4680 बैटरी सेल्स के साथ सॉलिड स्टेट बैटरियों का अपना विकल्प विकसित कर रहा है।

सॉलिड-स्टेट बैटरियों की समस्याएँ

सॉलिड-स्टेट बैटरी विकास को प्रयोगशाला प्रोटोटाइप को बड़े पैमाने पर उत्पादन में बदलने की कठिनाइयों ने परेशान किया है। विश्वसनीय, स्वचालित और कम लागत वाला उत्पादन अभी भी विकसित हो रहा है, और सॉलिड-स्टेट बैटरियों के बाजार में आने का समय-सीमा अधिकतम 2026-2028 के आसपास हो सकती है।

स्रोत: Vertex Holdings

अंत में, सॉलिड-स्टेट बैटरियों में वर्तमान लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में बहुत अधिक लिथियम उपयोग होगा, जिससे 2022 में लिथियम की कीमत में 2 वर्षों में 10 गुना वृद्धि जैसी फिर से कीमत में उछाल हो सकता है। रीसाइक्लिंग भी कठिन हो सकती है।

“संघनित” बैटरियां

शायद हमें सॉलिड-स्टेट बैटरियों का इंतजार नहीं करना पड़ेगा ताकि बहुत उच्च घनत्व वाली बैटरियां देख सकें। CATL ने “संघनित पदार्थ” बैटरी का निर्माण घोषित किया है, जो 500 Wh/kg तक पहुंच सकती है। कंपनी यह भी दावा करती है कि कम समय में बड़े पैमाने पर उत्पादन संभव है, जो इस क्षेत्र के नेता से आ रहा है न कि किसी छोटे स्टार्टअप से, इसलिए यह विश्वसनीय लगता है।

यह वह घनत्व स्तर है जिसे पहले केवल सॉलिड-स्टेट बैटरियों द्वारा ही संभव माना जाता था। यह वह स्तर भी है जो इलेक्ट्रिक विमान और अन्य अनुप्रयोगों पर विचार करने के लिए आवश्यक है, जो अब तक विद्युतिकरण के लिए असंभव थे।

वैकल्पिक बैटरी रसायन विज्ञान

बैटरी बनाने के लिए लिथियम-आयन के कई संभावित विकल्प हैं। लेकिन केवल कुछ ही बैटरी रसायन विज्ञान हल्के वजन, उच्च घनत्व और सुरक्षा का सही मिश्रण रखेंगे जो मोबाइल अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए उपयुक्त हो।

दीर्घकाल में, इन वैकल्पिक बैटरियों में से कुछ महंगी लिथियम बैटरियों को भी प्रतिस्थापित कर सकती हैं, विशेषकर जब बात अधिक कीमत-संवेदनशील ऑटोमोबाइल बड़े बाजार की हो।

लिथियम-आयरन (फेरम)-फॉस्फेट बैटरियां – LFP

LFP बैटरियों को लंबे समय तक मोबाइल अनुप्रयोगों में उपयोग नहीं किया गया था क्योंकि उनकी ऊर्जा घनत्व बहुत कम थी, आमतौर पर क्लासिक लिथियम-आयन बैटरी से 30-40% कम। इस रसायन का नवीनतम संस्करण अब पुरानी पीढ़ी की लिथियम-आयन बैटरियों के समान घनत्व स्तर तक पहुंच रहा है, जिससे वे कम लागत वाले वाहनों के लिए उपयुक्त हो गई हैं।

LFP का एक बड़ा लाभ यह है कि उन्हें किसी भी निकेल या कोबाल्ट की आवश्यकता नहीं होती, जो क्लासिक लिथियम-आयन बैटरियों की कीमत के लिए जिम्मेदार होते हैं। इसके विपरीत, आयरन और फॉस्फेट प्रचुर मात्रा में और सस्ते होते हैं। LFP अधिक समय तक चलने की संभावना भी रखती हैं, जिससे बैटरी सिस्टम की कुल जीवन लागत और घटती है।

LFP का प्रमुख निर्माता चीनी CATL (300750.SZ) है, साथ ही BYD (BYDDF) भी, हालांकि कंपनी अब अपनी स्थिति बनाए रखने के लिए अन्य विकल्पों की तलाश कर रही है जिससे वह विश्व की आधी बैटरियों का निर्माता बना रहे।

फिर भी, अगस्त 2023 में 700-किलोमीटर LFP बैटरी के खुलासे के बाद, जो केवल 10 मिनट में 400 किमी रेंज को रिचार्ज कर सकती है, LFP बाजार को नजरअंदाज नहीं किया गया।

सोडियम-आयन

कोबाल्ट और निकेल के अलावा, लिथियम लिथियम-आयन में जाने वाला दूसरा महंगा संसाधन है। इसके विपरीत, सोडियम अत्यधिक प्रचुर और सस्ता है और लिथियम की तरह नियमित रूप से कमी का सामना करने की संभावना कम है।

चीनी प्रमुख कार निर्माता BYD ने अपने नए कम कीमत वाले मॉडल डॉल्फिन और सीगल के लिए सोडियम-आयन बैटरियों का उपयोग करने का इरादा घोषित किया है, जिसमें सीगल संभवतः $10,000 की कीमत पर हो सकता है (दुर्भाग्यवश, केवल चीन में)।

यह 2021 में CATL द्वारा उच्च-घनत्व सोडियम-आयन बैटरी की घोषणा के बाद आया। नवंबर 2023 में, यूरोपीय Northvolt ने सोडियम-आयन में एक बड़ी सफलता की घोषणा की, जिसमें उन्होंने CATL के समान 160 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम ऊर्जा घनत्व हासिल किया।

हालांकि LFP और लिथियम-आयन की तुलना में थोड़ा कम ऊर्जा घनत्व और बहुत कम है, सोडियम-आयन बहुत सस्ती कीमत के कारण बड़े बाजार में जीत सकता है, संभावित रूप से वर्तमान निकेल-आधारित बैटरियों की कीमत का 1/3।

अन्य रसायन विज्ञान

हालांकि प्रत्येक को एक-एक करके देखना बहुत लंबा होगा, कई अन्य संभावित रसायन विज्ञान हैं जो एक दिन मोबाइल अनुप्रयोगों में उपयोग होने वाली बैटरियों के लिए गंभीर प्रतिस्पर्धी बन सकते हैं। लेकिन ये तकनीकें अभी प्रारंभिक चरण में हैं, जिससे उनका ईवी में अपनाना निकट भविष्य में असंभव है।

ग्लास बैटरियां

एक रोचक विचार, जो केवल बहुत प्रचुर सामग्री का उपयोग करता है, जिसे अब तक अन्य शोधकर्ता अपने प्रयोगशालाओं में दोहराने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। लेकिन यह विचार लिथियम-आयन बैटरी के आविष्कारक श्री गुडेनफ़ के समर्थन से है, इसलिए इसे खारिज नहीं किया जा सकता (दुर्भाग्यवश, श्री गुडेनफ़ का 2023 की गर्मियों में निधन हो गया)।

ग्रैफ़ीन बैटरियां

ग्रैफ़ीन, कार्बन परमाणुओं की एकल परत, अत्यधिक चालक है। कंपनी Graphene Manufacturing Group (GMG.V) ग्रैफ़ीन/एल्यूमिनियम बैटरियों को आगे बढ़ा रही है, जो लिथियम-आयन से अधिक घनत्व रख सकती हैं जबकि 70 गुना तेज़ चार्जिंग और 3 गुना अधिक आयु प्रदान करती हैं। कंपनी खनन दिग्गज (और ग्रेफाइट खनिक) रियो टिंटो के साथ मिलकर 2025 के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू करने पर काम कर रही है।

मैंगनीज़ हाइड्रोजन बैटरियां

इन बैटरियों में लिथियम के स्थान पर मैग्नीशियम का उपयोग किया जाएगा। इस प्रकार की बैटरी को “क्वासी सॉलिड-स्टेट” कहा गया है और यह -22 °C (-7°F) जैसी बहुत कम तापमान को बेहतर ढंग से संभाल सकती है।

लिथियम-सल्फर बैटरियां

इन बैटरियों में महंगे कोबाल्ट और निकेल के बजाय लिथियम और सल्फर का उपयोग किया जाएगा। शुरुआती चरण में भी, वे उल्लेखनीय रूप से उच्च ऊर्जा घनत्व दिखाती हैं। हालांकि, इन्हें टिकाऊपन से संबंधित समस्याओं ने सताया है और इन्हें मौजूदा रसायनों के एक अच्छे विकल्प बनने के लिए बहुत अधिक टिकाऊ बनना पड़ेगा।

स्रोत: Vertex Holdings

सोडियम-सल्फर बैटरियां

इन बैटरियों को अब तक उन अनुप्रयोगों तक सीमित किया गया था जहाँ बैटरी को उच्च तापमान (300°C) पर रखा जाता था। हालांकि, नई इलेक्ट्रोलाइट जो सल्फर के घुलन को रोकती हैं, इस आवश्यकता को हटा सकती हैं। इसलिए, यह शक्तिशाली और सस्ती बैटरियों की खोज के लिए एक नया दृष्टिकोण बन सकता है।

एल्यूमिनियम-आयन बैटरियां

यह तकनीक लिथियम एनोड को एल्यूमिनियम एनोड से बदलती है। ग्रेफाइट के लिए एक पॉलिमर प्रतिस्थापन का उपयोग करके, ये बैटरियां उच्च संग्रहण क्षमता प्राप्त कर सकती हैं।

एल्यूमिनियम-एयर

ये “बैटरियां” एल्यूमीनियम को ईंधन की तरह उपभोग करके कार्य करती हैं, जिससे इसे उपयोग करने वाली ईवी को एक ईंधन कार (प्रति टैंक 1,600 किमी) से अधिक रेंज मिलती है, और लिथियम-आयन (1,350 W/kg) से बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व होता है। यह इसे इलेक्ट्रिक विमानों के लिए संभावित विद्युत स्रोत भी बनाता है।

उपभोग किया गया एल्यूमीनियम 90 सेकंड में नई एल्यूमीनियम से बदला जा सकता है, और उपयोग किया गया “ईंधन” पुनर्चक्रित किया जाता है। यह तकनीक पुराने ईवी के साथ मिलाकर उन्हें अधिक रेंज प्रदान कर सकती है।

वर्तमान में, इस तकनीक के विकास की मुख्य सीमा यह प्रतीत होती है कि इसे सार्वजनिक समर्थन नहीं मिल रहा है, क्योंकि यह न तो एक वास्तविक बैटरी है, न ही फ्यूल-सेल, न ही हाइड्रोजन-आधारित, जिससे यह मौजूदा हरित नीतियों द्वारा समर्थन के योग्य नहीं है।