पावर लिथियम बैटरियों के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरियां सबसे अच्छा विकल्प बन गई हैं, लेकिन अभी भी तीन कठिनाइयों पर काबू पाना बाकी है

कार्बन उत्सर्जन को कम करने की तत्काल आवश्यकता परिवहन को विद्युतीकृत करने और ग्रिड पर सौर और पवन ऊर्जा की तैनाती का विस्तार करने की दिशा में तेजी से आगे बढ़ रही है।यदि ये रुझान अपेक्षा के अनुरूप बढ़ते हैं, तो विद्युत ऊर्जा भंडारण के बेहतर तरीकों की आवश्यकता तीव्र हो जाएगी।

एस्थर और हेरोल्ड ई. एडगर्टन में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर डॉ. एल्सा ओलिवेटी कहते हैं, हमें जलवायु परिवर्तन के खतरे से निपटने के लिए सभी रणनीतियों की आवश्यकता है।स्पष्ट रूप से, ग्रिड-आधारित सामूहिक भंडारण प्रौद्योगिकियों का विकास महत्वपूर्ण है।लेकिन मोबाइल एप्लिकेशन के लिए - विशेष रूप से परिवहन के लिए - अधिकांश शोध आज के समय को अपनाने पर केंद्रित हैलिथियम आयन बैटरीताकि वे अधिक सुरक्षित, छोटे और अपने आकार और वजन के अनुसार अधिक ऊर्जा संग्रहित करने में सक्षम हों।

पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों में सुधार जारी है, लेकिन उनकी सीमाएं बनी हुई हैं, आंशिक रूप से उनकी संरचना के कारण।लिथियम-आयन बैटरी में दो इलेक्ट्रोड होते हैं, एक सकारात्मक और एक नकारात्मक, जो एक कार्बनिक (कार्बन युक्त) तरल में सैंडविच होता है।जब बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज किया जाता है, तो चार्ज किए गए लिथियम कण (या आयन) तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित हो जाते हैं।

इस डिज़ाइन के साथ एक समस्या यह है कि कुछ वोल्टेज और तापमान पर, तरल इलेक्ट्रोलाइट अस्थिर हो सकता है और आग पकड़ सकता है।ओलिवेटी के समूह के एक शोध वैज्ञानिक डॉ. केविन हुआंग पीएच.डी.'15 कहते हैं, बैटरियां सामान्य उपयोग के तहत आम तौर पर सुरक्षित होती हैं, लेकिन जोखिम बना रहता है।

एक और समस्या यह है कि लिथियम-आयन बैटरियां कारों में उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं हैं।बड़े, भारी बैटरी पैक जगह घेरते हैं, वाहन का कुल वजन बढ़ाते हैं और ईंधन दक्षता कम करते हैं।लेकिन आज की लिथियम-आयन बैटरियों को उनकी ऊर्जा घनत्व - प्रति ग्राम वजन में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा - को बनाए रखते हुए छोटा और हल्का बनाना मुश्किल साबित हो रहा है।

इन समस्याओं को हल करने के लिए, शोधकर्ता ऑल-सॉलिड या सॉलिड-स्टेट संस्करण बनाने के लिए लिथियम-आयन बैटरियों की प्रमुख विशेषताओं को बदल रहे हैं।वे बीच में तरल इलेक्ट्रोलाइट को एक पतले ठोस इलेक्ट्रोलाइट से बदल रहे हैं जो वोल्टेज और तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला पर स्थिर है।इस ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ, उन्होंने एक उच्च क्षमता वाले सकारात्मक इलेक्ट्रोड और एक उच्च क्षमता वाले लिथियम धातु नकारात्मक इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जो सामान्य छिद्रपूर्ण कार्बन परत की तुलना में बहुत कम मोटा था।ये परिवर्तन इसकी ऊर्जा भंडारण क्षमता को बनाए रखते हुए बहुत छोटे समग्र सेल की अनुमति देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च ऊर्जा घनत्व होता है।

ये विशेषताएं - बढ़ी हुई सुरक्षा और अधिक ऊर्जा घनत्व- संभवतः संभावित सॉलिड-स्टेट बैटरियों के दो सबसे आम तौर पर बताए गए लाभ हैं, फिर भी ये सभी चीजें भविष्योन्मुखी हैं और अपेक्षित हैं, और आवश्यक रूप से प्राप्त करने योग्य नहीं हैं।फिर भी, इस संभावना के कारण कई शोधकर्ता उन सामग्रियों और डिज़ाइनों को खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जो इस वादे को पूरा करेंगे।

प्रयोगशाला से आगे की सोच

शोधकर्ता कई दिलचस्प परिदृश्य लेकर आए हैं जो प्रयोगशाला में आशाजनक लगते हैं।लेकिन ओलिवेटी और हुआंग का मानना ​​है कि जलवायु परिवर्तन की चुनौती की तात्कालिकता को देखते हुए, अतिरिक्त व्यावहारिक विचार महत्वपूर्ण हो सकते हैं।ओलिवेटी कहते हैं, हम शोधकर्ताओं के पास संभावित सामग्रियों और प्रक्रियाओं का मूल्यांकन करने के लिए प्रयोगशाला में हमेशा मेट्रिक्स होते हैं।उदाहरणों में ऊर्जा भंडारण क्षमता और चार्ज/डिस्चार्ज दरें शामिल हो सकती हैं।लेकिन यदि उद्देश्य कार्यान्वयन है, तो हम ऐसे मेट्रिक्स जोड़ने का सुझाव देते हैं जो विशेष रूप से तेजी से स्केलिंग की क्षमता को संबोधित करते हैं।

सामग्री एवं उपलब्धता

ठोस अकार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स की दुनिया में, दो मुख्य प्रकार के पदार्थ होते हैं - ऑक्सीजन युक्त ऑक्साइड और सल्फर युक्त सल्फाइड।टैंटलम का उत्पादन टिन और नाइओबियम के खनन के उप-उत्पाद के रूप में किया जाता है।ऐतिहासिक आंकड़ों से पता चलता है कि टिन और नाइओबियम के खनन के दौरान टैंटलम का उत्पादन जर्मेनियम की तुलना में संभावित अधिकतम के करीब है।इसलिए एलएलजेडओ-आधारित कोशिकाओं के संभावित विस्तार के लिए टैंटलम की उपलब्धता एक बड़ी चिंता का विषय है।
हालाँकि, जमीन में किसी तत्व की उपलब्धता जानने से इसे निर्माताओं के हाथों में लाने के लिए आवश्यक कदमों का समाधान नहीं होता है।इसलिए शोधकर्ताओं ने प्रमुख तत्वों - खनन, प्रसंस्करण, शोधन, परिवहन आदि की आपूर्ति श्रृंखला के बारे में एक अनुवर्ती प्रश्न की जांच की। यह मानते हुए कि प्रचुर मात्रा में आपूर्ति है, क्या इन सामग्रियों को वितरित करने के लिए आपूर्ति श्रृंखला को तेजी से विस्तारित किया जा सकता है ताकि बढ़ती जरूरतों को पूरा किया जा सके। बैटरियों की मांग?

एक नमूना विश्लेषण में, उन्होंने देखा कि इलेक्ट्रिक वाहनों के अनुमानित 2030 बेड़े के लिए बैटरी प्रदान करने के लिए जर्मेनियम और टैंटलम की आपूर्ति श्रृंखला को साल दर साल कितनी बढ़ने की आवश्यकता होगी।उदाहरण के तौर पर, इलेक्ट्रिक वाहनों के एक बेड़े, जिसे अक्सर 2030 के लक्ष्य के रूप में उद्धृत किया जाता है, को कुल 100 गीगावाट घंटे ऊर्जा प्रदान करने के लिए पर्याप्त बैटरी का उत्पादन करने की आवश्यकता होगी।इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, केवल एलजीपीएस बैटरियों का उपयोग करके, जर्मेनियम आपूर्ति श्रृंखला को साल दर साल 50% तक बढ़ने की आवश्यकता होगी - एक खिंचाव, क्योंकि अतीत में अधिकतम विकास दर लगभग 7% रही है।केवल एलएलजेडओ कोशिकाओं का उपयोग करते हुए, टैंटलम के लिए आपूर्ति श्रृंखला को लगभग 30% तक बढ़ाने की आवश्यकता होगी - विकास दर लगभग 10% की ऐतिहासिक अधिकतम से काफी ऊपर।

हुआंग कहते हैं, ये उदाहरण विभिन्न ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स की स्केलिंग-अप क्षमता का आकलन करते समय सामग्री की उपलब्धता और आपूर्ति श्रृंखला पर विचार करने के महत्व को दर्शाते हैं: भले ही सामग्री की मात्रा कोई मुद्दा नहीं है, जैसा कि जर्मेनियम के मामले में, सभी को स्केल करना भविष्य के इलेक्ट्रिक वाहनों के उत्पादन से मेल खाने के लिए आपूर्ति श्रृंखला के कदमों के लिए ऐसी विकास दर की आवश्यकता हो सकती है जो वस्तुतः अभूतपूर्व हो।

सामग्री और प्रसंस्करण

बैटरी डिज़ाइन की स्केलेबिलिटी क्षमता का आकलन करते समय विचार करने वाला एक अन्य कारक विनिर्माण प्रक्रिया की कठिनाई और लागत पर पड़ने वाला प्रभाव है।सॉलिड-स्टेट बैटरी के निर्माण में अनिवार्य रूप से कई चरण शामिल होते हैं, और किसी भी चरण की विफलता से प्रत्येक सफलतापूर्वक उत्पादित सेल की लागत बढ़ जाती है।
विनिर्माण कठिनाई के लिए एक प्रॉक्सी के रूप में, ओलिवेटी, सीडर और हुआंग ने अपने डेटाबेस में चयनित सॉलिड-स्टेट बैटरी डिज़ाइन की कुल लागत पर विफलता दर के प्रभाव का पता लगाया।एक उदाहरण में, उन्होंने ऑक्साइड LLZO पर ध्यान केंद्रित किया।एलएलजेडओ बहुत भंगुर है और उच्च प्रदर्शन वाली ठोस अवस्था वाली बैटरियों में उपयोग के लिए पर्याप्त पतली बड़ी शीटें विनिर्माण प्रक्रिया में शामिल उच्च तापमान पर दरार या विकृत होने की संभावना है।
ऐसी विफलताओं के लागत निहितार्थ को निर्धारित करने के लिए, उन्होंने एलएलजेडओ कोशिकाओं को इकट्ठा करने में शामिल चार प्रमुख प्रसंस्करण चरणों का अनुकरण किया।प्रत्येक चरण में, उन्होंने अनुमानित उपज के आधार पर लागत की गणना की, यानी कुल कोशिकाओं का अनुपात जो विफलता के बिना सफलतापूर्वक संसाधित किए गए थे।एलएलजेडओ के लिए, उनके द्वारा अध्ययन किए गए अन्य डिज़ाइनों की तुलना में उपज बहुत कम थी;इसके अलावा, जैसे-जैसे उपज में कमी आई, सेल ऊर्जा की प्रति किलोवाट-घंटे (kWh) लागत में काफी वृद्धि हुई।उदाहरण के लिए, जब अंतिम कैथोड हीटिंग चरण में 5% अधिक सेल जोड़े गए, तो लागत लगभग $30/kWh बढ़ गई - यह देखते हुए एक नगण्य परिवर्तन कि ऐसी कोशिकाओं के लिए आम तौर पर स्वीकृत लक्ष्य लागत $100/kWh है।स्पष्ट रूप से, विनिर्माण कठिनाइयों का डिजाइन को बड़े पैमाने पर अपनाने की व्यवहार्यता पर गहरा प्रभाव पड़ सकता है।


पोस्ट करने का समय: सितम्बर-09-2022