क्या सॉलिड-स्टेट बैटरियां अंततः प्रचार के अनुरूप तैयार हैं?

हार्वर्ड के शोधकर्ताओं ने एक ठोस-अवस्था वाली बैटरी बनाई है जो दस मिनट में चार्ज हो जाती है और 30 वर्षों तक चलती है, लेकिन यह बहुचर्चित प्रौद्योगिकी ऊर्जा परिवर्तन के लिए एक दीर्घकालिक समाधान बनी हुई है।

लोग धीरे-धीरे लेकिन निश्चित रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) को अपना रहे हैं, लेकिन 2050 में अपने शुद्ध-शून्य उत्सर्जन लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए दुनिया को इस बदलाव की गति को और तेज़ करने की आवश्यकता है। ईवी के घातीय सुधारों के बावजूद, कई ड्राइवर अभी भी अपनी पेट्रोल से चलने वाली कारों की सुविधा को पीछे छोड़ने के लिए अनिच्छुक हैं। पिछले साल इप्सोस मोरी सर्वेक्षण में लागत के साथ-साथ चार्जिंग स्टेशनों की कमी और बैटरी लाइफ़ को लेकर चिंताओं को अमेरिकी उपभोक्ताओं के लिए ईवी खरीदने में मुख्य बाधाओं के रूप में उद्धृत किया गया था। कार निर्माताओं के लिए, इसका अधिकांश हिस्सा ईवी के बोनट के नीचे मौजूदा लिथियम-आयन (ली-आयन) बैटरियों की रेंज और लंबी उम्र पर लगातार प्रतिबंधों के कारण है।

हालांकि, हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों की एक टीम का मानना ​​है कि उन्होंने इन उलझनों को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज (SEAS) के शोधकर्ताओं ने एक नई तकनीक विकसित की है। "ठोस अवस्था" ऐसी बैटरी जो पेट्रोल टैंक को भरने में लगने वाले समय में चार्ज हो सकती है, और सामान्य ईवी बैटरी की तुलना में 3-6 गुना अधिक चार्ज चक्र सहन कर सकती है।

सॉलिड-स्टेट बैटरियों को लंबे समय से विद्युतीकृत परिवहन के लिए व्यापक बदलाव के लिए पवित्र माना जाता रहा है, और हाल के वर्षों में उनके व्यावसायीकरण की दौड़ तेज़ हो गई है। टोयोटा और वोक्सवैगन जैसी कंपनियाँ अपने स्वयं के संस्करण विकसित कर रही हैं, जिन्हें वे दशक के अंत तक वाहनों में लाने की उम्मीद कर रही हैं। हार्वर्ड के इस नवीनतम नवाचार के बढ़ावा के साथ, क्या सॉलिड-स्टेट बैटरियाँ आखिरकार अपनी प्रचार-प्रसार के अनुरूप प्रदर्शन करने के लिए तैयार हैं?

तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के लाभ

आज, Li-आयन बैटरियाँ बहुत लोकप्रिय हैं; इनका उपयोग मोबाइल फ़ोन और लैपटॉप से ​​लेकर EV और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों तक हर चीज़ में किया जाता है। शोधकर्ताओं और निर्माताओं ने पिछले दशक में Li-आयन बैटरियों की कीमत 90% तक कम कर दी है और उनका मानना ​​है कि वे उन्हें और भी सस्ता बना सकते हैं। उनका यह भी मानना ​​है कि वे और भी बेहतर लिथियम बैटरी बना सकते हैं।

ये बैटरियाँ डिस्चार्ज और चार्ज करते समय कैथोड और एनोड के बीच आयनों को स्थानांतरित करने के लिए एक तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती हैं। हालाँकि, तरल ज्वलनशील होता है और बैटरी के जीवन को बढ़ाने वाली सामग्रियों को जोड़ने से रोकता है। शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि एक समाधान तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के बजाय ठोस का उपयोग करना होगा।

ये सॉलिड-स्टेट बैटरियाँ अपने लिक्विड-आधारित समकक्षों की तुलना में कई तरह के फ़ायदे देती हैं। सबसे बढ़कर, वे उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान करती हैं; जिसका अर्थ है कि वे प्रति इकाई आयतन या भार में अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं, जिससे या तो बैटरी का जीवनकाल लंबा होता है या बैटरी पैक छोटे और हल्के होते हैं। वे लंबे चक्र जीवन का भी वादा करती हैं; बिना खराब हुए अधिक चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों को झेलती हैं, जिससे बैटरी का जीवनकाल बढ़ जाता है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग अधिक कुशल आयन परिवहन के कारण बैटरी को नुकसान पहुँचाए बिना बहुत तेज़ चार्जिंग को सक्षम बनाता है।

सॉलिड-स्टेट बैटरियाँ लिक्विड-बेस्ड बैटरियों की तुलना में व्यापक तापमान रेंज में काम कर सकती हैं, जिससे चरम मौसम में बेहतर उपयोग की अनुमति मिलती है। उन्हें आम तौर पर सुरक्षित माना जाता है क्योंकि एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट शॉर्ट सर्किट और ओवरहीटिंग के जोखिम को कम करता है, जिससे लिक्विड-बेस्ड बैटरियों में आग या विस्फोट हो सकता है। अंत में, सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट को सस्ती और अधिक पर्यावरण के अनुकूल सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला से बनाया जा सकता है।

कुल मिलाकर, सॉलिड-स्टेट बैटरियों में पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन, सुरक्षा और दीर्घायु प्रदान करके बैटरी उद्योग में क्रांति लाने की क्षमता है। अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (आईईए) में परिवहन के लिए ऊर्जा मॉडलर टेओ लोम्बार्ड कहते हैं, "अपने उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण, सॉलिड-स्टेट बैटरियां [स्थिर] ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के बजाय ईवी के लिए सबसे उपयुक्त होंगी, और वास्तव में भारी परिवहन के विद्युतीकरण में महत्वपूर्ण योगदानकर्ता हो सकती हैं।"

सॉलिड-स्टेट बैटरी डिज़ाइन में “एक छलांग आगे”

SEAS शोधकर्ताओं ने एक डाक टिकट के आकार की बैटरी विकसित की है, जो कि सामान्य "सिक्का सेल" प्रकार के बजाय "पाउच सेल" डिज़ाइन का उपयोग करती है। बैटरी ने 80 चार्जिंग चक्रों के बाद 6,000% क्षमता बनाए रखी और कम तापमान पर अच्छा प्रदर्शन किया। इसने अन्य सॉलिड-स्टेट बैटरियों से बेहतर प्रदर्शन किया क्योंकि शोधकर्ताओं ने इसे लिथियम-मेटल एनोड के साथ बनाने का एक तरीका खोज लिया, जिसकी क्षमता सामान्य ग्रेफाइट एनोड की तुलना में दस गुना अधिक है।

नया बहु-परत, बहु-सामग्री डिज़ाइन "डेंड्राइट्स" की व्यापक समस्या को दूर करने में सक्षम था - जड़ जैसी संरचनाएं जो एनोड की सतह से इलेक्ट्रोलाइट में बढ़ती हैं। ये विपरीत कैथोड को अलग करने वाली बाधा को भेद सकते हैं, जिससे बैटरी में शॉर्ट-सर्किट हो सकता है और कभी-कभी आग लग सकती है।

बैटरी का विस्तारित जीवनकाल - जो लगभग 30 वर्षों के बराबर है - इलेक्ट्रिक वाहनों की लागत को काफी कम कर सकता है, जबकि बैटरी को कुछ ही मिनटों में चार्ज करने की क्षमता इसे असाधारण शक्ति घनत्व प्रदान करती है, जिसका उपयोग अन्य अनुप्रयोगों में भी किया जा सकता है।

SEAS में मैटेरियल साइंस के एसोसिएट प्रोफेसर और इस प्रोजेक्ट के प्रमुख शोधकर्ता शिन ली कहते हैं, "हम 5-10 मिनट में बैटरी को 6,000 चक्रों के लिए चार्ज करने में सक्षम थे; आमतौर पर EV बैटरियों को चार्ज होने में कई घंटे लगते हैं और उनके 1,000 से 2,000 चक्र होते हैं।" "हमारा शोध यह भी दिखाता है कि आप एनोड के रूप में चांदी, मैग्नीशियम या सिलिकॉन जैसी अन्य सामग्रियों का उपयोग कर सकते हैं। यह निश्चित रूप से सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन के पैमाने पर आगे बढ़ने की दिशा में एक छलांग है।"

“प्रयोगशाला से वास्तविक दुनिया तक”

हालांकि, हर कोई इस बात से सहमत नहीं है। लोम्बार्ड कहते हैं, "सॉलिड-स्टेट बैटरियों की मौजूदा चुनौती सेल स्तर पर कुछ और बेहतर करने के बजाय क्रियान्वयन और स्केल-अप है।"

इंजीनियरिंग के नज़रिए से, एक चुनौती जिस पर उद्योग को अभी भी काबू पाना है, वह है एक ठोस-अवस्था बैटरी पैक का निर्माण करना जो अत्यधिक उच्च दबाव को सहन करने में सक्षम हो और साथ ही “साँस लेने” में भी सक्षम हो - विस्तार और संकुचन। लोम्बार्ड कहते हैं, “इस समस्या का समाधान ठोस-अवस्था बैटरी के ऊर्जा-घनत्व लाभ को नकार सकता है, इसलिए यह वास्तव में एक ऐसा प्रश्न है जिसका उत्तर उद्योग को आने वाले वर्षों में स्केल-अप प्रक्रिया के माध्यम से देना होगा।”

सुरक्षा के दृष्टिकोण से, सॉलिड-स्टेट निर्माताओं को एक और समस्या से पार पाना होगा, वह यह कि भले ही सॉलिड-स्टेट बैटरी शॉर्ट-सर्किट होने पर आग न पकड़ती हो, लेकिन इंजन में मौजूद अन्य सामग्री आग पकड़ सकती है। लोम्बार्ड कहते हैं, "फिर से, यह एक इंजीनियरिंग चुनौती है जिसका औद्योगिक स्तर पर परीक्षण और सत्यापन किया जाना चाहिए।"

अंत में, सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए आपूर्ति श्रृंखला बनाने में काफी बाधा है। लोम्बार्ड के अनुसार, बैटरी आपूर्ति श्रृंखलाओं को बहुत अधिक मात्रा में उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री की आवश्यकता होती है, क्योंकि बैटरी थोड़ी मात्रा में भी दूषित पदार्थों के साथ काम करने में विफल हो जाती है। "इसे बनाने में बहुत समय लगता है," वे कहते हैं। "ऐसा इसलिए भी है क्योंकि व्यापक बैटरी क्षेत्र तेजी से बढ़ रहा है, इसलिए सॉलिड-स्टेट एक निश्चित बाजार में प्रवेश नहीं कर रहा है, बल्कि एक ऐसा बाजार है जहाँ हर तकनीक - पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी सहित - बहुत तेजी से सुधार कर रही है और आपको इसमें कुछ जगह बनाने की जरूरत है।"

लोम्बार्ड के अनुसार, ठोस-अवस्था बैटरियों की सफलता नई अकादमिक सफलताओं से नहीं आएगी - "हालांकि यह अध्ययन महत्वपूर्ण है", वे चेतावनी देते हैं - बल्कि यह इस बात से आएगा कि उद्योग किस प्रकार शेष इंजीनियरिंग चुनौतियों का समाधान करेगा और संबंधित आपूर्ति श्रृंखला का विकास करेगा।

वे कहते हैं, "ठोस-अवस्था वाली बैटरियों में अपार संभावनाएं हैं, लेकिन उद्योग इन [इंजीनियरिंग] चुनौतियों का समाधान कैसे करता है, यह निर्धारित करेगा कि वे ईवी बैटरी बाजार पर कब्ज़ा कर पाती हैं या वे बहुत लंबी दूरी की कारों और ट्रकों के लिए एक विशिष्ट अनुप्रयोग बनी रहती हैं।"

वैश्विक पेटेंट डेटा के आधार पर तकनीकी सफलताओं की भविष्यवाणी करने वाले एआई विश्लेषण प्लेटफ़ॉर्म फ़ोकस के हालिया शोध के अनुसार, सॉलिड-स्टेट बैटरी तकनीक साल-दर-साल 31% की दर से बेहतर हो रही है। हालांकि यह प्रभावशाली है, लेकिन यह मौजूदा तकनीकों को बाधित करने के लिए पर्याप्त गति नहीं है - ली-आयन बैटरियों में भी इसी तरह 30.5% की दर से सुधार हो रहा है।

आईईए ने पूर्वानुमान लगाया है कि सॉलिड-स्टेट बैटरियां नेट-जीरो संक्रमण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगी, खास तौर पर इलेक्ट्रिक ट्रक जैसे अनुप्रयोगों के माध्यम से भारी परिवहन को डीकार्बोनाइज करने में। लोम्बार्ड कहते हैं, "लेकिन यह महत्वपूर्ण है कि हम उद्योग को बहुत ज़्यादा या कम करके न आँकें।" अगर सॉलिड-स्टेट बैटरियां अपनी क्षमता को पूरा करने में सफल होती हैं, तो यह 2030 के दशक में होगा, उनका अनुमान है। "अभी, उन्हें वास्तव में प्रयोगशाला से वास्तविक दुनिया में ले जाने की ज़रूरत है।"

ली का मानना ​​है कि सॉलिड-स्टेट के मुख्यधारा में आने में 2030 का समय लगेगा। वे कहते हैं, "इससे पहले, अभी भी कई तकनीकी बाधाओं को दूर करना बाकी है।" "[हालिया] सफलताएँ ज़रूरी नहीं कि 2030 की तारीख को आगे लाएँ, वे उस तारीख को संभव बनाती हैं।"

स्रोत द्वारा बस ऑटो

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