ऊर्जा
संशोधकों के आवश्यकताओं पर ध्यान केंद्रित करने के साथ ठोस-राज्य बैटरियों पर कार्य जारी
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सॉलिड-स्टेट बैटरियां, जो उपयोग की जाती हैं स्मार्टफ़ोन, पावर टूल्स और इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) में, इलेक्ट्रोलाइट के उपयोग में लिथियम-आयन बैटरियों से अलग होती हैं। जबकि लिथियम-आयन बैटरी तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है, सॉलिड-स्टेट बैटरी ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है।
लिथियम-आयन बैटरियों के मामले में, कैथोड और एनोड को अलग रखने के लिए एक सेपरेटर मौजूद होता है। सॉलिड-स्टेट बैटरियों में, ठोस इलेक्ट्रोलाइट भी सेपरेटर की भूमिका निभाता है।
हालांकि ये केवल भेदभावकारी विशेषताएँ हैं, वैज्ञानिक और तकनीकी समुदाय ने सॉलिड-स्टेट बैटरियों को इसलिए विकसित किया क्योंकि उनका ठोस संरचना के साथ बेहतर स्थिरता और बढ़ी हुई सुरक्षा होती है। वे इन पर काम जारी रखते हैं क्योंकि ये बैटरियां इलेक्ट्रोलाइट क्षतिग्रस्त होने पर भी अपनी रूपरेखा बनाए रखती हैं।
सॉलिड-स्टेट बैटरी उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ आती है और विस्फोट या आग के जोखिम को लगभग नहीं रखती। क्योंकि इसे सुरक्षा घटकों के समर्थन की आवश्यकता नहीं होती, सक्रिय सामग्री को सम्मिलित करने के लिए अधिक स्थान उपलब्ध होता है, जिससे बैटरी क्षमता बढ़ती है। बेहतर ऊर्जा घनत्व यह भी सुनिश्चित करता है कि बैटरियों की आवश्यकता कम रहे, जिससे मॉड्यूल और पैक के लिए इष्टतम इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी प्रणाली प्राप्त होती है।
इन लाभों के कारण, मुख्य रूप से, बाजार विशेषज्ञ मानते हैं कि सॉलिड-स्टेट बैटरियां इलेक्ट्रिक वाहनों को आंतरिक दहन इंजन वाहनों (ICEVs) के साथ प्रतिस्पर्धी बनाने में एक गेम-चेंजर बनेंगी और अंततः इस दौड़ में आगे बढ़ेंगी। लेकिन यह शोधकर्ताओं को यह नहीं रोकता कि वे यह पता लगाएं कि सॉलिड-स्टेट बैटरियों को और अधिक उपयोगी कैसे बनाया जा सकता है। ऐसे एक शोध में, वैज्ञानिकों ने लिथियम-धातु सॉलिड-स्टेट बैटरी के उच्च ऊर्जा घनत्व वाले अल्ट्रा-थिन संस्करण का मामला प्रस्तुत किया है, जो Li2CO3-प्रूफ गार्नेट-टाइप ठोस इलेक्ट्रोलाइट द्वारा सक्षम है।
जबकि यह सब बहुत तकनीकी लग सकता है, अगले भाग में हम इस शोध के उद्देश्य को समझने के लिए गहराई से जांच करेंगे!
उच्च स्थिरता और ऊर्जा घनत्व के साथ अल्ट्रा-थिन लिथियम धातु सॉलिड-स्टेट बैटरी प्लेटफ़ॉर्म को सक्षम बनाना
POSTECH के सामग्री विज्ञान और अभियांत्रिकी विभाग के प्रोफेसर ब्योन्गवू कांग और डॉ. अबिन किम ने एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट विकसित किया है जो उच्च स्थिरता और ऊर्जा घनत्व के साथ अल्ट्रा-थिन लिथियम धातु सॉलिड-स्टेट बैटरी प्लेटफ़ॉर्म को सक्षम बनाता है।
इस सफलता ने सॉलिड-स्टेट बैटरियों को झेलने वाली सबसे सामान्य चिंताओं में से एक को हल करके परिणाम प्राप्त किए। वह समस्या क्या थी, और इसे कैसे हल किया जा सकता है? नीचे हम इसका विस्तृत विश्लेषण करेंगे!
LLZO समस्या
सॉलिड-स्टेट बैटरियों में उपयोग किया जाने वाला गैमेट-टाइप ठोस इलेक्ट्रोलाइट, जिसे सॉलिड-स्टेट बैटरियां कहा जाता है, जिसे Li7La3Zr2O12 या LLZO के नाम से भी जाना जाता है, उच्च आयनिक चालकता रखता है। साथ ही, यह अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है और हवा के संपर्क में आने पर इसकी सतह पर एक प्रदूषण परत (Li2CO3) बनाता है। यह परत कई नुकसानों या बाधाओं को लेकर आती है, जिसमें सेल निर्माण में प्रतिरोधी बाधा का निर्माण, इलेक्ट्रोलाइट और अभिकर्मकों के संपर्क और इंटरफ़ेस गुणों में कमी आदि शामिल हैं।
नवाचार ने इस बाधा को अपनाया और इसे उल्टा मोड़ दिया, बाहरी उपाय खोजने के बजाय मूलभूत आवश्यकताओं पर ध्यान केंद्रित करके। शोधकर्ताओं ने एक एयर-हैंडलेबल LLZO (AH-LLZO) तकनीक विकसित की जो एक साथ LLZO की सतह और आंतरिक गुणों को बढ़ा सके और प्रदूषण परतों के निर्माण को रोक सके।
उन्होंने अपने लक्ष्य को प्राप्त किया एक नया जल-प्रतिरोधी यौगिक (Li-Al-O) सतह और सामग्री के अंदर दोनों पर विकसित करके। यह यौगिक परत को केवल वायु नमी के साथ प्रतिक्रिया करने के कारण आंतरिक रूप से प्रदूषण के प्रसार को रोकता है।
समाधान के रूप में यह परत, बेहतर संपर्क और वेटेबिलिटी गुणों के साथ, अल्ट्रा-थिन लिथियम सॉलिड-स्टेट बैटरियों के विकास में परिणत हुई, जिसकी मोटाई मानव बाल की मोटाई का लगभग एक-दसवां हिस्सा है।
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यह शोध क्यों एक ब्रेकथ्रू माना जाता है?
परिणामों ने एक ऐसी स्थिति उत्पन्न की जहाँ अल्ट्रा-थिन लिथियम धातु परतें तैयार करना संभव हो गया, जिससे सॉलिड-स्टेट बैटरियों में एनोड से कैथोड का क्षमता अनुपात लगभग 0.176 तक घट जाता है।
यह प्रयोग लिथियम धातु की उपयोग मात्रा में उल्लेखनीय कमी की अनुमति देता है, जिससे कुल बैटरी वजन और आयतन घटता है और ऊर्जा घनत्व में काफी सुधार होता है।
यदि लागू किया जाए, तो यह शोध और इसके निष्कर्ष विशेष हैंडलिंग या सुविधाओं की आवश्यकता के बिना हवा में भंडारण को सक्षम करेंगे। प्रक्रिया को सरल बनाने के अलावा, यह नवाचार अधिक व्यावहारिक उपयोगिता के साथ गार्नेट-टाइप ठोस इलेक्ट्रोलाइट के उत्पादन की ओर ले जाता है।
उन्होंने कहा:
“हम उच्च सुरक्षा और उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने वाली अल्ट्रा-थिन लिथियम धातु सॉलिड-स्टेट बैटरियों पर काम करना जारी रखेंगे।”
यह शोध दर्शाता है कि मूलभूत आवश्यकताओं पर ध्यान केंद्रित करने से हम किसी उत्पाद की कमियों को उसकी ताकत में बदल सकते हैं। व्यवसाय और वाणिज्यिक संस्थाएं सॉलिड-स्टेट बैटरियों को भविष्य के ऑटोमोबाइलों के लिए अधिक अनुकूल और लाभदायक बनाने के लिए शोध और संसाधनों में निवेश कर रही हैं। अगले भागों में, हम ऐसी कंपनियों और उनके नवाचारों पर नजर डालेंगे।
#1. Solid Power
इस क्षेत्र में उत्कृष्ट कार्य करने वाली एक कंपनी Solid Power (SLDP ) है। उनकी सभी-ठोस-राज्य बैटरियां उच्च ऊर्जा, बढ़ी हुई सुरक्षा, लंबा जीवन, और महत्वपूर्ण लागत लाभ प्रदान करती हैं।
यह उच्च-सामग्री सिलिकॉन और लिथियम धातु जैसे उच्च-क्षमता वाले इलेक्ट्रोड का उपयोग करने की अनुमति देता है, जबकि प्रतिक्रियाशील और अस्थिर तरल और जेल घटकों को हटाकर सुरक्षा मानकों को बढ़ाता है।
परिणाम स्पष्ट है उन बैटरियों में जो अत्यधिक गर्म तापमान में भी टिक सकती हैं और कुशलता से कार्य करती हैं। कंपनी का दावा है कि उनके उत्पाद लिथियम-आयन पैक्स की तुलना में 15-35% लागत लाभ रखते हैं।
Solid Power की सभी-ठोस-राज्य बैटरी पोर्टफ़ोलियो में तीन प्रमुख उत्पाद शामिल हैं: सिलिकॉन EV सेल, लिथियम धातु सेल, और कन्वर्ज़न रिएक्शन सेल।
सिलिकॉन EV सेल
इसमें उच्च-सामग्री सिलिकॉन एनोड है, जो उच्च चार्ज दर और कम तापमान क्षमता प्रदान करता है। Solid Power के स्वामित्व वाले सल्फाइड-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट समाधान को शक्ति देते हैं। यह उद्योग-मानक, व्यावसायिक रूप से परिपक्व NMC कैथोड का उपयोग करता है।
लिथियम धातु
उत्पाद का नाम इसके उच्च-ऊर्जा लिथियम धातु एनोड से आया है। इसका क्षमता सिलिकॉन EV सेल की तुलना में क्रमिक रूप से बेहतर है, जिसकी विशिष्टता 390 Wh/kg है, जबकि लिथियम धातु सेल की 440 Wh/kg है।
कन्वर्ज़न रिएक्शन सेल
Solid Power के पोर्टफ़ोलियो के सभी उत्पादों में, इसका अधिकतम प्रदर्शन क्षमता 560 Wh/kg है। इसकी विशिष्टता अल्ट्रा-लो-कोस्ट और उच्च-विशिष्ट ऊर्जा वाले कन्वर्ज़न-टाइप कैथोड में है।
कोलोराडो, संयुक्त राज्य अमेरिका में स्थित, Solid Power अपने बैटरियों की परिवर्तनकारी क्षमता में दृढ़ विश्वास रखता है। यह मानता है कि उसकी सभी-ठोस-राज्य बैटरी सेल OEMs की मात्रा और लागत आवश्यकताओं को पूरा करेंगे।
SLDP मूल्य चार्ट
अपने नवीनतम उपलब्ध निवेश डेक में, कंपनी (Nasdaq: SLDP) दावा करती है कि वह अब तक US$700 मिलियन जुटाने वाली एकमात्र सार्वजनिक रूप से ट्रेडेड शुद्ध-खेल सॉलिड-स्टेट बैटरी डेवलपर है। कंपनी अपने एक दशक से अधिक लंबे R&D निवेश इतिहास पर फल-फूल रही है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 50 वैश्विक पेटेंट परिवार और तीन उद्योग-प्रमुख विकास साझेदार (BMW, Ford, SK On) प्राप्त हुए हैं।
#2. QuantumScape
QuantumScape (QS ), इस क्षेत्र की एक और प्रमुख कंपनी, ने घोषणा की है कि वह ‘सॉलिड-स्टेट लिथियम-धातु बैटरी प्रौद्योगिकी के साथ ऊर्जा भंडारण को बदलने’ के मिशन पर है। यह भी दावा करता है कि वह ‘उच्च ऊर्जा घनत्व, तेज़ चार्जिंग, और बढ़ी हुई सुरक्षा’ को सक्षम कर रहा है – ये तीन आवश्यक बुनियादी गुण POSTECH शोध भी केंद्रित करता है।
QuantumScape की सबसे उल्लेखनीय विशेषताओं में से एक यह है कि उसने उद्योग की पहली एनोड-रहित सेल डिज़ाइन विकसित की है, जिससे कम सामग्री लागत और सरल उत्पादन के साथ उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त होता है।
QuantumScape प्रौद्योगिकी प्लेटफ़ॉर्म विभिन्न कैथोड रसायनों का उपयोग करता है ताकि आज के निकेल मैंगनीज़ कोबाल्ट (NMC) और लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP)-आधारित बैटरी सेल्स की ऊर्जा घनत्व को उल्लेखनीय रूप से बढ़ाया जा सके। उनके प्रयास विविध ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलन सुनिश्चित करते हैं और भविष्य के कैथोड रसायन विज्ञान उन्नतियों का लाभ उठाने के लिए क्षेत्र को तैयार रखते हैं।
कंपनी की एक और विशिष्ट विक्रय बिंदु उसका सेपरेटर सामग्री है, जो सिरेमिक से बना है जो उच्च चालकता, लिथियम धातु के प्रति स्थिरता, डेंड्राइट निर्माण के प्रति प्रतिरोध, और कम इंटरफ़ेस इम्पीडेंस प्रदान करता है। सिरेमिक का उपयोग करने का एक और लाभ यह है कि यह बढ़ी हुई सुरक्षा के साथ आता है क्योंकि यह ज्वलनशील नहीं है और इसलिए पारंपरिक पॉलिमर सेपरेटरों की तुलना में अधिक सुरक्षित है, जो हाइड्रोकार्बन से बने होते हैं और जलने की अधिक प्रवृत्ति रखते हैं।
QuantumScape अपने सॉलिड-स्टेट लिथियम-धातु सेल्स के साथ 800–1,000 Wh/L का लक्ष्य रखता है।
SLDP मूल्य चार्ट
वित्तीय रूप से, QuantumScape (NYSE: QS) को US$2 बिलियन से अधिक की पूंजी निवेशों द्वारा समर्थन प्राप्त है। इसके पास 300 से अधिक पेटेंट और पेटेंट आवेदन हैं।
सॉलिड-स्टेट बैटरियों का भविष्य
सॉलिड-स्टेट बैटरियां अब भविष्य की तकनीक नहीं रह गई हैं क्योंकि भविष्य पहले ही आ चुका है। सर्वश्रेष्ठ संस्थानों से कई अत्याधुनिक शोध हर दिन इसके कारण को आगे बढ़ा रहे हैं।
उदाहरण के लिए, जनवरी 2024 में, हार्वर्ड स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज़ (SEAS) के शोधकर्ताओं ने एक सॉलिड-स्टेट बैटरी प्रस्तुत की जिसमें लिथियम धातु 6,000 चार्ज/डिस्चार्ज साइकिल प्रदान करने में सक्षम — जो बाजार में किसी भी अन्य पॉच बैटरी सेल से काफी अधिक है।
यह शोध हमारे लेख की शुरुआत में उल्लेखित शोध के समान है, क्योंकि हार्वर्ड के शोधकर्ताओं ने भी एनोड की सतह पर डेंड्राइट के निर्माण की परिचित समस्या को संभाला।
हमने जिन विशेष कंपनियों, जैसे Solid Power और QuantumScape, पर चर्चा की है, उनके अलावा इस क्षेत्र में बड़े खिलाड़ी भी शामिल हैं। उदाहरण के लिए, अक्टूबर 2023 में, टोयोटा और इडेमित्सु कोसान ने इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरियों को विकसित करना की साझेदारी की घोषणा की।
इस सहयोग को प्रेरित करने वाला दृष्टिकोण अत्यधिक महत्वाकांक्षी था, कम से कम कहें तो। इसने प्रेस रिलीज़ में निम्नलिखित कहा:
“इस सहयोग के माध्यम से, दो कंपनियां, जो सभी-ठोस-स्टेट बैटरियों से संबंधित सामग्री विकास सहित विभिन्न क्षेत्रों में विश्व में अग्रणी हैं, 2027-28 में सभी-ठोस-स्टेट बैटरियों के सफल व्यावसायीकरण को सुनिश्चित करने का लक्ष्य रखती हैं — जैसा कि टोयोटा तकनीकी कार्यशाला में जून 2023 में घोषणा की गई थी — इसके बाद पूर्ण पैमाने पर उत्पादन शुरू होगा।”
एक और कंपनी जिसने इस क्षेत्र में बड़ा कदम उठाने का फैसला किया वह होंडा थी। कंपनी इस क्षेत्र में काफी समय से सक्रिय है। जनवरी 2024 में, होंडा के अधिकारियों ने कहा कि वे वजन में 50% कमी को लक्षित करना — या, दूसरे शब्दों में, वजन के हिसाब से ऊर्जा घनत्व में 50% वृद्धि।
होंडा के सीईओ तोशीहिरो मिबे ने बताया कि यदि होंडा $30,000 की कीमत वाली कार बनाना चाहता है, तो वह सॉलिड-स्टेट बैटरियों पर विचार कर सकता है क्योंकि बैटरी की लागत घटेगी, रेंज बढ़ेगी, और कूलिंग सिस्टम को सरल बनाया जा सकता है।
हालांकि, सॉलिड-स्टेट बैटरियों को अधिक मजबूत और सुरक्षित बनाने के लिए वैश्विक प्रयास अभी भी कुछ चुनौतियों का सामना कर रहे हैं। लक्ष्य इसके मूलभूत गुणों को अनुकूलित करना है, जिसमें सुरक्षा, स्थिरता, ऊर्जा प्रदर्शन, और इलेक्ट्रोकेमिकल भंडारण दक्षता शामिल हैं। दूसरी ओर, बाधाओं में दीर्घकालिक प्रदर्शन स्थिरता, आर्थिक व्यवहार्यता, और विशिष्ट शक्ति मानकों की सटीक डिलीवरी शामिल हैं।
यदि हम गहराई से देखें, तो हम पाएंगे कि चुनौतियों में वर्तमान सॉलिड-स्टेट बैटरियों (SSBs) में अपर्याप्त साइक्लिंग प्रदर्शन भी शामिल है, जो एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट में सामग्री क्षरण के कारण होता है। संयुक्त राज्य ऑटोमोबाइल अनुसंधान परिषद ने बैटरी जीवन लक्ष्य निर्धारित किया है कि 10 साल की आयु के साथ 1000 साइकिल 80% डिस्चार्ज गहराई पर हों।
सॉलिड-स्टेट बैटरियों को अक्सर इस लक्ष्य को प्राप्त करने से रोकने वाला कारण स्पेस-चार्ज लेयर का निर्माण है, जो धीमी इंटरफ़ेस काइनेटिक्स और उच्च इम्पीडेंस की ओर ले जाता है, और डेंड्राइट का विकास, जो शॉर्ट सर्किट और सुरक्षा जोखिम पैदा करता है।
हालांकि, इन चुनौतियों के समाधान मौजूद हैं। निर्माताओं को उच्च-ऊर्जा-घनत्व वाले SSBs और सुधारों पर ध्यान केंद्रित करना होगा। अंततः, इन उत्पादों में उच्च थर्मल स्थिरता होती है, जो 200 °C से अधिक तापमान पर भी सुरक्षा चिंताओं को समाप्त कर देती है, जबकि तरल इलेक्ट्रोलाइट 70 °C से थोड़ा ऊपर होने पर खतरा पैदा कर सकते हैं। सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट लीक-रहित संचालन प्रदान कर सकते हैं और अपने तरल समकक्षों की तुलना में अधिक इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता प्रदान करते हैं।
सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रोलाइट अधिक वांछनीय होते हैं क्योंकि वे क्षमता घटाव और आंतरिक शॉर्ट सर्किट को कम कर सकते हैं। उनकी उच्च आयनिक चालकता और कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता यह भी सुनिश्चित करती है कि वाहन तेज़ी से चार्ज हों।
QuantumScape के अनुमान के अनुसार, आज के प्रमुख पारंपरिक लिथियम-आयन सेल्स (~700 Wh/L ऊर्जा घनत्व) का उपयोग करके एक वाहन जो एक चार्ज पर लगभग 350 मील रेंज प्राप्त करता है, QuantumScape की सॉलिड-स्टेट सेल्स का उपयोग करने पर 400 से 500 मील रेंज प्राप्त कर सकता है।
समग्र रूप से, सॉलिड-स्टेट बैटरियां भविष्य की गतिशीलता के लिए अनिवार्य हैं। उन्हें कुशल, सुरक्षित, लागत-प्रभावी और दीर्घकालिक होना चाहिए।
