संपादक की टिप्पणी: विद्युत प्रौद्योगिकी हरित पृथ्वी का भविष्य है, और बैटरी प्रौद्योगिकी विद्युत प्रौद्योगिकी की नींव होने के साथ-साथ इसके व्यापक विकास को सीमित करने वाली प्रमुख बाधा भी है। वर्तमान में मुख्यधारा की बैटरी प्रौद्योगिकी लिथियम-आयन बैटरी है, जिसमें अच्छी ऊर्जा घनत्व और उच्च दक्षता होती है। हालांकि, लिथियम एक दुर्लभ तत्व है जिसकी लागत अधिक है और संसाधन सीमित हैं। साथ ही, नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के बढ़ते उपयोग के कारण लिथियम-आयन बैटरी का ऊर्जा घनत्व अब पर्याप्त नहीं रह गया है। इसका समाधान क्या है? मयंक जैन ने भविष्य में उपयोग की जा सकने वाली कुछ बैटरी प्रौद्योगिकियों का विश्लेषण किया है। मूल लेख मीडियम पर "बैटरी प्रौद्योगिकी का भविष्य" शीर्षक से प्रकाशित हुआ था।
पृथ्वी ऊर्जा से भरपूर है, और हम उस ऊर्जा को संचित करने और उसका सदुपयोग करने के लिए हर संभव प्रयास कर रहे हैं। हालांकि नवीकरणीय ऊर्जा की ओर संक्रमण में हमने बेहतर प्रदर्शन किया है, लेकिन ऊर्जा भंडारण में हमने ज्यादा प्रगति नहीं की है।
वर्तमान में, बैटरी प्रौद्योगिकी का उच्चतम मानक लिथियम-आयन बैटरी है। इस बैटरी में सर्वोत्तम ऊर्जा घनत्व, उच्च दक्षता (लगभग 99%) और लंबी आयु पाई जाती है।
तो समस्या क्या है? जैसे-जैसे हम नवीकरणीय ऊर्जा का संचय करते जा रहे हैं, लिथियम-आयन बैटरी की ऊर्जा घनत्व अब पर्याप्त नहीं रह गई है।
चूंकि हम बैटरियों का उत्पादन बैचों में जारी रख सकते हैं, इसलिए यह कोई बड़ी समस्या नहीं लगती, लेकिन दिक्कत यह है कि लिथियम एक अपेक्षाकृत दुर्लभ धातु है, इसलिए इसकी कीमत कम नहीं है। हालांकि बैटरी उत्पादन लागत कम हो रही है, ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता भी तेजी से बढ़ रही है।
हम उस मुकाम पर पहुंच चुके हैं जहां लिथियम आयन बैटरी के निर्माण के बाद ऊर्जा उद्योग पर इसका बहुत बड़ा प्रभाव पड़ेगा।
जीवाश्म ईंधनों की उच्च ऊर्जा घनत्व एक सच्चाई है, और यह नवीकरणीय ऊर्जा पर पूर्ण निर्भरता की ओर संक्रमण में एक बड़ा बाधक कारक है। हमें ऐसी बैटरियों की आवश्यकता है जो हमारे वजन से अधिक ऊर्जा उत्सर्जित करें।
लिथियम-आयन बैटरी कैसे काम करती हैं
लिथियम बैटरी की कार्यप्रणाली सामान्य AA या AAA रासायनिक बैटरी के समान है। इनमें एनोड और कैथोड टर्मिनल होते हैं, और इनके बीच में इलेक्ट्रोलाइट होता है। सामान्य बैटरियों के विपरीत, लिथियम-आयन बैटरी में डिस्चार्ज प्रतिक्रिया प्रतिवर्ती होती है, इसलिए बैटरी को बार-बार रिचार्ज किया जा सकता है।
कैथोड (+ टर्मिनल) लिथियम आयरन फॉस्फेट से बना होता है, एनोड (- टर्मिनल) ग्रेफाइट से बना होता है, और ग्रेफाइट कार्बन से बना होता है। बिजली इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह मात्र है। ये बैटरियां एनोड और कैथोड के बीच लिथियम आयनों की गति द्वारा बिजली उत्पन्न करती हैं।
आवेशित होने पर आयन एनोड की ओर बढ़ते हैं, और निर्वात होने पर आयन कैथोड की ओर जाते हैं।
आयनों की यह गति परिपथ में इलेक्ट्रॉनों की गति का कारण बनती है, इसलिए लिथियम आयन की गति और इलेक्ट्रॉन की गति आपस में संबंधित हैं।
सिलिकॉन एनोड बैटरी
बीएमडब्ल्यू जैसी कई बड़ी कार कंपनियां सिलिकॉन एनोड बैटरी के विकास में निवेश कर रही हैं। साधारण लिथियम-आयन बैटरी की तरह, ये बैटरी भी लिथियम एनोड का उपयोग करती हैं, लेकिन कार्बन-आधारित एनोड के बजाय सिलिकॉन का उपयोग करती हैं।
एनोड के रूप में सिलिकॉन, ग्रेफाइट से बेहतर है क्योंकि लिथियम को धारण करने के लिए ग्रेफाइट को 4 कार्बन परमाणुओं की आवश्यकता होती है, जबकि सिलिकॉन का 1 परमाणु 4 लिथियम आयनों को धारण कर सकता है। यह एक महत्वपूर्ण सुधार है... जिससे सिलिकॉन ग्रेफाइट से 3 गुना अधिक मजबूत हो जाता है।
फिर भी, लिथियम का उपयोग एक दोधारी तलवार है। यह सामग्री अभी भी महंगी है, लेकिन सिलिकॉन सेल के लिए उत्पादन सुविधाओं को स्थानांतरित करना भी आसान है। यदि बैटरियां पूरी तरह से अलग हैं, तो कारखाने को पूरी तरह से फिर से डिज़ाइन करना होगा, जिससे स्विच करने की आकर्षण क्षमता थोड़ी कम हो जाएगी।
सिलिकॉन एनोड रेत को संसाधित करके शुद्ध सिलिकॉन बनाकर तैयार किए जाते हैं, लेकिन शोधकर्ताओं के सामने सबसे बड़ी समस्या यह है कि उपयोग करने पर सिलिकॉन एनोड फूल जाते हैं। इससे बैटरी की कार्यक्षमता बहुत जल्दी कम हो सकती है। इसके अलावा, एनोड का बड़े पैमाने पर उत्पादन करना भी मुश्किल है।
ग्राफीन बैटरी
ग्राफीन एक प्रकार का कार्बन कण है जो पेंसिल में इस्तेमाल होने वाली सामग्री से बनता है, लेकिन इन कणों पर ग्रेफाइट चिपकाने में काफी समय लगता है। ग्राफीन को कई उपयोगों में उत्कृष्ट प्रदर्शन के लिए सराहा जाता है, और बैटरी भी उनमें से एक है।
कुछ कंपनियां ग्राफीन बैटरी विकसित करने पर काम कर रही हैं जो मिनटों में पूरी तरह चार्ज हो सकती हैं और लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में 33 गुना तेजी से डिस्चार्ज हो सकती हैं। इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए यह बेहद महत्वपूर्ण है।
फोम बैटरी
वर्तमान में, पारंपरिक बैटरियां दो आयामी होती हैं। वे या तो लिथियम बैटरी की तरह एक के ऊपर एक रखी जाती हैं या फिर सामान्य AA या लिथियम-आयन बैटरी की तरह लुढ़की हुई होती हैं।
फोम बैटरी एक नई अवधारणा है जिसमें 3डी स्पेस में विद्युत आवेश की गति शामिल है।
यह त्रि-आयामी संरचना चार्जिंग समय को कम कर सकती है और ऊर्जा घनत्व को बढ़ा सकती है; ये बैटरी के अत्यंत महत्वपूर्ण गुण हैं। अधिकांश अन्य बैटरियों की तुलना में, फोम बैटरियों में कोई हानिकारक तरल इलेक्ट्रोलाइट नहीं होता है।
फोम बैटरियों में तरल इलेक्ट्रोलाइट के बजाय ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया जाता है। यह इलेक्ट्रोलाइट न केवल लिथियम आयनों का संचालन करता है, बल्कि अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को भी इन्सुलेट करता है।
बैटरी के ऋणात्मक आवेश को धारण करने वाला एनोड फोमयुक्त तांबे से बना होता है और उस पर आवश्यक सक्रिय पदार्थ की परत चढ़ाई जाती है।
इसके बाद एनोड के चारों ओर एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट लगाया जाता है।
अंत में, बैटरी के अंदर के खाली स्थानों को भरने के लिए तथाकथित "पॉजिटिव पेस्ट" का उपयोग किया जाता है।
एल्युमिनियम ऑक्साइड बैटरी
इन बैटरियों की ऊर्जा घनत्व अन्य सभी बैटरियों की तुलना में कहीं अधिक है। इनकी ऊर्जा क्षमता मौजूदा लिथियम-आयन बैटरियों से अधिक शक्तिशाली और हल्की है। कुछ लोगों का दावा है कि ये बैटरियां इलेक्ट्रिक वाहनों को 2,000 किलोमीटर तक की रेंज प्रदान कर सकती हैं। यह दावा कितना विश्वसनीय है? जानकारी के लिए बता दें कि टेस्ला की अधिकतम क्रूज़िंग रेंज लगभग 600 किलोमीटर है।
इन बैटरियों की समस्या यह है कि इन्हें चार्ज नहीं किया जा सकता। ये एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड उत्पन्न करती हैं और जल-आधारित इलेक्ट्रोलाइट में एल्युमीनियम और ऑक्सीजन की प्रतिक्रिया से ऊर्जा मुक्त करती हैं। बैटरियों के उपयोग में एनोड के रूप में एल्युमीनियम की खपत होती है।
सोडियम बैटरी
फिलहाल, जापानी वैज्ञानिक लिथियम के बजाय सोडियम का उपयोग करने वाली बैटरी बनाने पर काम कर रहे हैं।
यह एक क्रांतिकारी बदलाव होगा, क्योंकि सैद्धांतिक रूप से सोडियम बैटरी लिथियम बैटरी की तुलना में 7 गुना अधिक कुशल होती हैं। एक और बड़ा फायदा यह है कि सोडियम पृथ्वी के भंडारों में छठा सबसे प्रचुर तत्व है, जबकि लिथियम एक दुर्लभ तत्व है।
पोस्ट करने का समय: 02 दिसंबर 2019