गतिशीलता का भविष्य – बैटरी तकनीक

ईवी का उदय

जब टेस्ला की स्थापना 2003 में हुई, तो इलेक्ट्रिक कारों का विचार मुख्य रूप से एक मजाक के रूप में देखा जाता था। उस समय, हर इलेक्ट्रिक कार मूल रूप से एक गोल्फ कार्ट के समान थी, जिसमें खराब बैटरी रेंज, कम आराम, छोटा आकार और बहुत कम शीर्ष गति थी।

टेस्ला रोडस्टर (1 ^स्ट पीढ़ी, क्योंकि 2026 में एक नई पीढ़ी की उम्मीद है ) ने इस धारणा को पूरी तरह से बदल दिया, जिसमें एक लक्जरी स्पोर्ट्स कार के प्रदर्शन के साथ, इलेक्ट्रिक कारों (ईवी) को अचानक ठंडा बना दिया।

ईवी को अचानक व्यवहार्य बनाने वाला मुख्य भाग बैटरी प्रौद्योगिकी में प्रगति थी। शुरुआत में, यह छोटे इलेक्ट्रॉनिक बाजार के लिए डिज़ाइन की गई लिथियम-आयन बैटरियों की पीठ पर सवारी कर रहा था। और जल्द ही, ईवी को अधिक स्वायत्तता प्रदान करने के लिए अधिक समर्पित प्रणालियां विकसित की गईं।

2016 में एक छोटी मात्रा से, इलेक्ट्रिक कारें (ईवी) अब वैश्विक बिक्री का एक घातांकी रूप से बढ़ता हुआ हिस्सा हैं, 2022 में 10 मिलियन से अधिक इलेक्ट्रिक कारें बेची गईं, या वैश्विक बिक्री का 14%, चीन और यूरोप के नेतृत्व में।

वैश्विक ईवी बिक्री – स्रोत: आईईए

फिर भी, इस प्रगति के बावजूद, ईवी के अपनाने के बारे में कुछ प्रश्न अभी भी खुले हैं। ईवी की बिक्री मुद्रास्फीति के सामने धीमी हो गई है और सामान्य जनता – केवल शुरुआती अपनाने वालों को नहीं – को समझाने की आवश्यकता है। यह हाल ही में प्रमुख निर्माताओं द्वारा ईवी रणनीति के स्थगन या रद्दीकरण के लिए के लिए नेतृत्व किया।

वर्तमान सीमाएं

शुरुआती ईवी उत्साही लोग खुश थे कि वे वाहनों का उपयोग कर सकते हैं जो अधिक कार्बन-तटस्थ हो सकते हैं और एक नई प्रौद्योगिकी का प्रतिनिधित्व करते हैं। कम पर्यावरण संबंधी चिंतित खरीदार अभी भी ईवी के प्रति कई कारणों से संदेहपूर्ण हैं:

• मूल्य: अधिकांश ईवी अभी भी अपने आंतरिक दहन इंजन (आईसीई) समकक्ष से अधिक महंगे हैं। ब्याज दरों में वृद्धि के साथ, यह कई लोगों के लिए ईवी को बहुत महंगा बना सकता है।
• सीमा चिंता: ईवी की कीमत को कम करने का एक तरीका छोटे बैटरी पैक विकल्प चुनना है। लेकिन फिर, कम सीमा लंबी यात्राओं को कठिन बना सकती है, और चार्जिंग समय भी लंबा हो सकता है।
• ठंडा मौसम: जितना अधिक ठंडा जलवायु, उतना ही अधिक नुकसान बैटरी के लिए होता है। अधिकांश ईवी को सर्दियों की रातों में चार्ज पर रहने की आवश्यकता होती है यदि वे गर्म गैरेज में नहीं हैं। इसके अलावा, ठंड ईवी की सैद्धांतिक सीमा को कम कर देती है।
• चार्जिंग बुनियादी ढांचा: अपार्टमेंट में रहने वाले लोगों को अपने ईवी को रिचार्ज करने में कठिनाई हो सकती है यदि पर्याप्त सार्वजनिक चार्जिंग स्टेशन उपलब्ध नहीं हैं। लंबी कतारें, धीमी चार्जिंग या आसपास के स्टेशनों की अनुपस्थिति एक खराब अनुभव प्रदान कर सकती है।
• बैटरी सुरक्षा और टिकाऊपन: लिथियम-आयन बैटरियों में बहुत अधिक ऊर्जा होती है। और बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट्स बहुत ज्वलनशील होते हैं। यह बैटरी को संभावित रूप से एक सुरक्षा जोखिम बनाता है, विशेष रूप से बंद वातावरण में जैसे कि भूमिगत पार्किंग में। नहीं कि आईसीई कारें गैर-ज्वलनशील हैं, लेकिन यह अभी भी एक चिंता का विषय है।
• विद्युत ग्रिड: जबकि ईवी खरीदारों के लिए वास्तव में एक चिंता का विषय नहीं है, यह पूरे क्षेत्र के लिए एक समस्या बन सकती है। विद्युत ग्रिड पहले से ही कुछ हद तक तनावग्रस्त हैं, और लाखों वाहनों को रिचार्ज करने की आवश्यकता को संभाल सकते हैं। बिजली का स्रोत भी एक मुद्दा है, जिसमें जीवाश्म ईंधन से बहुत सारी बिजली आती है, जिसमें कोयला भी शामिल है।

वर्तमान ईवी के साथ अधिकांश मुद्दों का समाधान बेहतर बैटरी के साथ किया जा सकता है। धीमी चार्जिंग, बहुत कम सीमा, सुरक्षा मुद्दे, ठंड संवेदनशीलता और यहां तक कि मूल्य भी 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 डिज़ाइन में सुधार करके या पूरी तरह से नए तरीके से बैटरी बनाने के लिए।

कुल मिलाकर, घने बैटरी का अर्थ है सस्ती, सुरक्षित बैटरी जो अधिक समय तक चलने और तेजी से चार्ज होने की संभावना है।

लिथियम बैटरी में सुधार

पहला कदम मौजूदा बैटरी में सुधार करना है और इस प्रौद्योगिकी के साथ अनुभव और ज्ञान के धन का लाभ उठाना है। कुछ शोधकर्ताओं का मानना है कि वर्तमान पीढ़ी की बैटरियां अभी भी 2030 तक बढ़ती हुई सुधार की क्षमता रखती हैं: “लिथियम-आयन बैटरी और उसके बाद – 2030 का दृष्टिकोण“।

पहला भाग बैटरी के कैथोड भाग में सुधार करना है, जो वर्तमान में मुख्य रूप से लिथियम और निकेल से बना है। बैटरी की उम्र बढ़ने पर जब क्रिस्टलीय संरचना और रासायनिक परिवर्तन की गहरी समझ बैटरी के सभी विशिष्टताओं में सुधार कर सकती है।

एनोड, वर्तमान में ग्रेफाइट से बने, 5x-10x अधिक ऊर्जा-घनत्व वाले सिलिकॉन या सिलिकॉन ऑक्साइड से बदले जा सकते हैं। अब तक, यह कठिन रहा है, क्योंकि सिलिकॉन एनोड बहुत जल्दी “बूढ़ा” हो जाते हैं। ग्रेफाइट-सिलिकॉन मिश्रण पहले से ही अधिक सामान्य हो रहे हैं, और वे बैटरी की कुल ऊर्जा को बढ़ावा देने में मदद कर सकते हैं।

एनोड और कैथोड को जोड़ने वाले इलेक्ट्रोलाइट्स को बदलना भी मदद कर सकता है। नए प्रकार के तरल सॉल्वेंट, अधिक केंद्रित इलेक्ट्रोलाइट्स, या शायद यहां तक कि जेल जैसे इलेक्ट्रोलाइट्स भी सुरक्षा प्रोफ़ाइल में सुधार कर सकते हैं और बैटरी घनत्व बढ़ा सकते हैं।

अंत में, एक बेहतर डिज़ाइन विकल्प है बैटरी और ईवी के बीच संबंध को अनुकूलित करने के लिए। कई ईवी निर्माता अब så-called संरचनात्मक बैटरी का उपयोग करना शुरू कर रहे हैं जो ऊर्जा भंडारण और वाहन के संरचनात्मक घटक दोनों हैं। यह कुल कार वजन को कम कर सकता है, जिससे अधिक दक्षता और सीमा हो सकती है। रोल्स-रॉयस, टेस्ला, और वोल्वो पहले से ही इस विचार पर काम कर रहे हैं, जो सीमा को 16% तक बढ़ा सकता है।

सॉलिड स्टेट बैटरी

लंबे समय से सिद्धांतित और धीरे-धीरे प्रयोगशालाओं में वास्तविकता में, सॉलिड स्टेट बैटरी अक्सर बैटरी प्रौद्योगिकी के रूप में वर्णित की जाती हैं।

विचार पूरी तरह से तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की आवश्यकता को हटाना है, जो बैटरी के वजन को काफी कम कर देता है और इसकी घनत्व में नाटकीय रूप से वृद्धि करता है। इलेक्ट्रोलाइट को हटाने से बैटरी को बहुत सुरक्षित बनाना चाहिए। इलेक्ट्रोलाइट को हटाने से उत्पादन प्रक्रिया को भी सरल बनाना चाहिए; उत्पादन लाइन में 3 सप्ताह तक हटाना।

अंत में, ऐसे डिज़ाइन लगभग पूर्ण रिचार्ज का वादा करते हैं 3-5 मिनट में, या लगभग उतना ही समय जितना गैसोलीन से कार को रिफ्यूल करने में लगता है।

कई कंपनियां 2026-2029 तक अपनी सॉलिड-स्टेट बैटरी के संस्करण को लॉन्च करने की बात कर रही हैं। इसमें क्वांटमस्केप (QS), सीएटीएल (300750.SZ), टोयोटा (TM), पैनासोनिक (6752.T), एलजी (051910.KS), और सैमसंग एसडीआई (006400.KS) शामिल हैं। अब तक, टेस्ला (TSLA) अपनी सॉलिड-स्टेट बैटरी के विकल्प पर काम कर रहा है, लिथियम-आयन प्रौद्योगिकी पर आधारित 4680 बैटरी सेल।

सॉलिड स्टेट बैटरी के मुद्दे

सॉलिड स्टेट बैटरी विकास प्रयोगशाला प्रोटोटाइप को बड़े पैमाने पर उत्पादित उत्पादों में स्केल करने में कठिनाइयों से ग्रस्त रहा है। विश्वसनीय, स्वचालित और कम लागत वाला उत्पादन अभी भी काम में है, और सॉलिड स्टेट बैटरी के बाजार में आने का समय 2026-2028 के क्षितिज में होने की संभावना है।

स्रोत: वर्टेक्स होल्डिंग्स

अंत में, सॉलिड स्टेट बैटरी वर्तमान लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में बहुत अधिक लिथियम का उपयोग करेंगी, जो 2022 में लिथियम की कीमत में 10 गुना वृद्धि की पुनरावृत्ति का कारण बन सकता है, जब यह 2 वर्षों में 10 गुना बढ़ गया। रीसाइक्लिंग भी मुश्किल हो सकती है।

“संघनित” बैटरी

शायद हमें सॉलिड स्टेट बैटरी के लिए इंतजार नहीं करना होगा ताकि हम बहुत उच्च घनत्व वाली बैटरी देख सकें। सीएटीएल ने अपनी “संघनित पदार्थ” बैटरी की घोषणा की है, जो 500 व्ही / किग्रा तक पहुंच सकती है। कंपनी दावा करती है कि यह अल्पावधि में बड़े पैमाने पर उत्पादन की संभावना है, जो क्षेत्र के नेता और एक छोटे स्टार्टअप से नहीं है, संभवतः विश्वसनीय है।

यह घनत्व का स्तर पहले से ही सॉलिड स्टेट बैटरी द्वारा प्राप्त किया गया था। यह वह स्तर भी है जिसे विद्युत विमान और अन्य अनुप्रयोगों पर विचार करने के लिए आवश्यक है जो अब तक विद्युतीकृत नहीं किए जा सकते हैं।

वैकल्पिक बैटरी रसायन

लिथियम-आयन के अलावा बैटरी बनाने के लिए कई संभावित विकल्प हैं। लेकिन केवल कुछ बैटरी रसायनों में मोबाइल अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए हल्के, उच्च घनत्व और सुरक्षा का सही मिश्रण होगा।

लंबे समय में, इन वैकल्पिक बैटरियों में से कुछ ऑटोमोटिव द्रव मarket के लिए लिथियम बैटरी की तुलना में अधिक मूल्यवान हो सकती हैं, कम से कम जब यह अधिक मूल्य-संवेदनशील होती है।

लिथियम-लोहा (फेरम)-फॉस्फेट बैटरी – एलएफपी

एलएफपी बैटरी लंबे समय से गतिशीलता अनुप्रयोगों से बाहर हो गई हैं क्योंकि बहुत कम ऊर्जा घनत्व, आम तौर पर 30-40% कम एक क्लासिक लिथियम आयन बैटरी की तुलना में। इस रसायन का नवीनतम संस्करण अब पुरानी पीढ़ी की लिथियम-आयन बैटरी के घनत्व स्तर तक पहुंच रहा है, जो उन्हें कम लागत वाले वाहनों के लिए व्यवहार्य बनाता है।

एलएफपी का एक बड़ा फायदा यह है कि उन्हें निकेल या कोबाल्ट की आवश्यकता नहीं होती है, जो दोनों क्लासिक लिथियम-आयन बैटरी की कीमत के लिए जिम्मेदार हैं। इसके विपरीत, लोहा और फॉस्फेट बहुतायत में और सस्ते हैं। एलएफपी भी अधिक समय तक चलने की संभावना है, जो बैटरी प्रणाली की कुल जीवन लागत को और कम कर देता है।

एलएफपी का अग्रणी निर्माता चीनी सीएटीएल (300750.SZ) है, जो बायडी (BYDDF) के साथ है, भले ही कंपनी अब अपनी स्थिति को बनाए रखने के लिए अन्य विकल्पों पर नजर रख रही है। दुनिया की आधी बैटरी का निर्माण करने वाली कंपनी।

फिर भी, यह एलएफपी बाजार को नजरअंदाज नहीं करता है अगस्त 2023 में 700- किलोमीटर एलएफपी बैटरी का खुलासा करता है जो केवल 10 मिनट में 400 किमी की दूरी को रिचार्ज कर सकती है।

सोडियम-आयन

कोबाल्ट और निकेल के अलावा, लिथियम लिथियम-आयन बैटरी में जाने वाला एक और महंगा संसाधन है। इसके विपरीत, सोडियम बहुत अधिक मात्रा में और सस्ता है, और लिथियम की तरह नियमित रूप से कमी में आने की संभावना नहीं है।

प्रमुख चीनी कार निर्माता, बायडी ने अपने नए कम मूल्य मॉडल डॉल्फिन और सीगुल के लिए सोडियम-आयन बैटरी का उपयोग करने की अपनी मंशा की घोषणा की है, जिसमें सीगुल शायद $10,000 (दुर्भाग्य से, केवल चीन में) जितना सस्ता हो सकता है।

इसके बाद सीएटीएल द्वारा 2021 में एक उच्च घनत्व सोडियम-आयन बैटरी की घोषणा की गई। नवंबर 2023 में, यूरोपीय नॉर्थवोल्ट ने सोडियम-आयन में एक सफलता की घोषणा की, जो सीएटीएल के समान 160 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम ऊर्जा घनत्व हासिल कर रहा है।

हालांकि एलएफपी और लिथियम-आयन की तुलना में थोड़ा कम ऊर्जा घनत्व, सोडियम-आयन मूल्य-संवेदनशील मास मarket को जीत सकता है, कम से कम जब यह बहुत सस्ता होता है, वर्तमान बैटरी की तुलना में 1/3।

अन्य रसायन

यह प्रत्येक एक को देखने के लिए बहुत लंबा होगा, लेकिन गतिशीलता अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए बैटरी बनाने के लिए कई संभावित रसायन हैं। लेकिन ये प्रौद्योगिकियां अभी भी शुरुआती चरण में हैं, जो उन्हें अल्पावधि में ईवी में अपनाने की संभावना कम बनाती है।

ग्लास बैटरी

एक आकर्षक विचार, जो केवल बहुत ही बहुमुखी सामग्री का उपयोग करता है, जिसे अब तक अन्य शोधकर्ताओं ने अपनी प्रयोगशालाओं में दोहराने के लिए संघर्ष किया है। लेकिन यह विचार श्री। गुडेनफ का समर्थन करता है, लिथियम-आयन बैटरी के आविष्कारक, यह खारिज नहीं किया जा सकता है (दुर्भाग्य से, श्री गुडेनफ का 2023 की गर्मियों में निधन हो गया)।

ग्राफीन बैटरी

ग्राफीन, कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत, बहुत अधिक चालक है। ग्राफीन मैन्युफैक्चरिंग ग्रुप (GMG.V) ग्राफीन/एल्युमिनियम बैटरी के लिए धक्का दे रहा है, जो लिथियम-आयन से अधिक घनत्व वाला हो सकता है, 70 गुना तेजी से चार्ज हो सकता है और 3 गुना लंबे समय तक चल सकता है। कंपनी ग्राफाइट खनन दिग्गज रियो टिंटो के साथ 202 5 के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू करने के लिए काम कर रही है।

मैंगनीज हाइड्रोजन बैटरी

इन बैटरियों में लिथियम की जगह मैग्नीशियम का उपयोग किया जाएगा। इस प्रकार की बैटरी को “क्वासी सॉलिड-स्टेट” के रूप में वर्णित किया गया है और यह बहुत कम तापमान जैसे -22 डिग्री सेल्सियस (-7°F) को संभाल सकती है।

लिथियम-गंधक बैटरी

इन बैटरियों में लिथियम और गंधक का उपयोग महंगे कोबाल्ट और निकेल के बजाय किया जाएगा। अभी भी इस शुरुआती चरण में, वे आश्चर्यजनक रूप से उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदर्शित करते हैं। हालांकि, वे टिकाऊपन के मुद्दों से ग्रस्त रहे हैं और एक अच्छे विकल्प के लिए बहुत अधिक टिकाऊ होने की आवश्यकता है।

स्रोत: वर्टेक्स होल्डिंग्स

सोडियम-गंधक बैटरी

इन बैटरियों को अब तक उच्च तापमान (300 डिग्री सेल्सियस) पर रखे जाने की आवश्यकता के कारण गतिशीलता अनुप्रयोगों में सीमित किया गया है। हालांकि, नई इलेक्ट्रोलाइट्स गंधक के घुलने को रोक सकती हैं, इसलिए यह एक नए कोण से शक्तिशाली और सस्ती बैटरी खोजने के लिए हो सकता है।

एल्युमिनियम-आयन बैटरी

इस प्रौद्योगिकी में लिथियम एनोड को एल्युमिनियम एनोड से बदल दिया जाता है। एक पॉलिमर ग्राफाइट के प्रतिस्थापन का उपयोग करके, ये बैटरी उच्च भंडारण क्षमता हासिल कर सकती हैं।

एल्युमिनियम-हवा

इन “बैटरियों” का कार्य एल्युमिनियम को ईंधन की तरह खपत करना है, जो ईवी को एक उच्च श्रृंखला देता है (1,600 किमी प्रति टैंक), जो लिथियम-आयन से अधिक घनत्व वाली ऊर्जा घनत्व (1,350 डब्ल्यू/किग्रा) के साथ है। यह इसे विद्युत विमानों के लिए भी एक संभावित बिजली स्रोत बनाता है।

उपभोग किए गए एल्युमिनियम को 90 सेकंड में ताज़ा एल्युमिनियम से बदला जा सकता है, और “ईंधन” को रीसाइकल किया जा सकता है। इस प्रौद्योगिकी का उपयोग पुराने ईवी को वापस अधिक श्रृंखला देने के लिए भी किया जा सकता है।

वर्तमान में, इस प्रौद्योगिकी के विकास के लिए मुख्य सीमा यह प्रतीत होती है कि यह न तो एक सच्ची बैटरी है, न ही ईंधन सेल, और न ही हाइड्रोजन-आधारित, जो इसे मौजूदा हरित नीतियों द्वारा समर्थन के लिए अयोग्य बनाता है।