व्याख्या: भविष्य के इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए प्रतिस्पर्धी बैटरी तकनीकें

प्रतिस्पर्धी ईवी पावरट्रेन प्रौद्योगिकियों के लिए ग्लोबलडाटा गाइड

बैटरियाँ इक्कीसवीं सदी के तेल के बैरल हैं

पिछले दशक में, बैटरी उद्योग ने पोर्टेबल उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, मोबाइल इंटरनेट, पहली इलेक्ट्रिक कारों और आंतरायिक नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण और उत्पादन को आरंभिक रूप से अपनाने के लिए पर्याप्त प्रगति की है। जलवायु परिवर्तन से निपटने में संग्रहीत ऊर्जा की बढ़ती और विस्तारित भूमिका को देखते हुए, यह अगले दस वर्षों में दुनिया के सबसे महत्वपूर्ण उद्योगों में से एक बन जाएगा।

क्या बैटरियां पर्याप्त होंगी?

जैसे-जैसे दुनिया भर की सरकारें अपनी अर्थव्यवस्थाओं को कार्बन मुक्त करने के बारे में गंभीर होती जाएंगी, सस्ती, सुरक्षित, उच्च प्रदर्शन वाली, लंबे समय तक चलने वाली और कम कार्बन फुटप्रिंट वाली बैटरियों की मांग बढ़ेगी, विशेष रूप से मोटर वाहन उद्योग से।

परिणामस्वरूप, अगले दशक में आपूर्ति शृंखला में बाधाएँ आएंगी। दुनिया की मौजूदा और नियोजित बैटरी गीगाफैक्ट्री को चलाने के लिए कम लागत वाले, आसानी से शुद्ध किए जाने वाले कच्चे माल की कमी आपूर्ति सुरक्षा के लिए सबसे बड़ा खतरा है। इसके अलावा, महत्वपूर्ण खनिज खदानों में निवेश में गिरावट - पर्यावरण, सामाजिक और शासन (ईएसजी) कारकों के बढ़ते महत्व के साथ - नई क्षमता के विकास को प्रतिबंधित करेगी।

इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) की मांग में तेज वृद्धि और खनन और परिष्कृत बैटरी धातुओं की कमी के कारण 2025 तक वैश्विक स्तर पर बैटरी की गंभीर लेकिन अस्थायी कमी होने की संभावना है। हालांकि, उद्योग दुर्लभ सामग्रियों के उपयोग को कम करके, नई सामग्रियों और बैटरी प्रौद्योगिकियों को विकसित करके और सबसे महत्वपूर्ण रूप से वैश्विक बैटरी रीसाइक्लिंग उद्योग का निर्माण करके इसे एक निरंतर खतरा बनने से रोकने के लिए भारी निवेश कर रहा है।

इस बीच, खदानों और रिफाइनरों से लेकर कंपोनेंट मार्करों और सेल उत्पादकों तक, पूरी वैश्विक आपूर्ति श्रृंखला पर चीन का नियंत्रण एक बढ़ता हुआ भू-राजनीतिक मुद्दा है। अमेरिका और यूरोप 2030 तक अपनी बैटरी आपूर्ति श्रृंखलाओं में चीन पर निर्भरता कम करने के लिए महत्वपूर्ण कदम उठा रहे हैं। बैटरी रीसाइक्लिंग भू-राजनीति के साथ-साथ पर्यावरणीय स्थिरता के बारे में भी है। सर्कुलर बैटरी अर्थव्यवस्था ऊर्जा संक्रमण के लिए महत्वपूर्ण होगी, और राष्ट्रों (और कंपनियों) को घरेलू रीसाइक्लिंग विकसित करनी चाहिए क्योंकि ईवी वॉल्यूम और एंड-ऑफ-लाइफ वॉल्यूम तेजी से बढ़ रहे हैं।

रसायन विज्ञान - कुछ बुनियादी सिद्धांत

बैटरी प्रौद्योगिकियों में अनेक रसायन, विभिन्न सेल प्रकार और वैकल्पिक प्रौद्योगिकियां शामिल हैं।   

बैटरी एक कंटेनर है जिसमें एक या एक से अधिक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल होते हैं जिसमें रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित किया जाता है। इनका उपयोग बिजली के स्रोत के रूप में किया जाता है। बैटरियाँ कई अन्य तकनीकों के लिए महत्वपूर्ण सुविधाकर्ता हैं। वे आधुनिक मोबाइल जीवन शैली और इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) के बड़े पैमाने पर उत्पादन का अभिन्न अंग हैं। बैटरी और ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियाँ अक्षय ऊर्जा में परिवर्तन में आधारभूत होंगी।

बैटरी सेल दो प्रकार के होते हैं: प्राथमिक सेल और द्वितीयक सेल।

• प्राथमिक सेल एक अपरिवर्तनीय रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं और इन्हें डिस्पोजेबल बैटरी कहा जाता है।
• द्वितीयक सेल एक प्रतिवर्ती रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से इस विद्युत धारा का निर्माण करते हैं। इन्हें अक्सर रिचार्जेबल बैटरी या स्टोरेज सेल कहा जाता है।

ईंधन सेल एक अन्य ऊर्जा स्रोत है, लेकिन यह बैटरी नहीं है। बैटरियाँ अपने अंदर पहले से मौजूद रसायनों का उपयोग करके ऊर्जा बनाती हैं। इसके विपरीत, ईंधन सेल बिजली उत्पादन के लिए रसायनों के स्रोत के रूप में अपने माध्यम से बहने वाले ईंधन की निरंतर, बाहरी आपूर्ति का उपयोग करता है। ईंधन कोशिकाओं का उपयोग मानव रहित अंतरिक्ष जांच, कारों और बैकअप आपातकालीन बिजली के लिए किया गया है। हालाँकि, उपयोग किए जाने वाले ईंधन - आमतौर पर हाइड्रोजन - को रोजमर्रा के उपयोग के लिए बहुत खतरनाक माना जाता है।

बैटरियां रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं

बैटरियाँ रासायनिक ऊर्जा को संग्रहित करती हैं और इसे विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं। इनमें तीन मुख्य घटक होते हैं: एक सकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड), एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड), और एक इलेक्ट्रोलाइट। दो इलेक्ट्रोड अलग-अलग सामग्रियों से बने होते हैं। इलेक्ट्रोड को एक विभाजक द्वारा एक दूसरे से अलग किया जाता है, जो कुछ रासायनिक प्रजातियों के लिए अर्धपारगम्य होता है, और बैटरी को एक आवरण में रखा जाता है।

जब बैटरी को इलेक्ट्रिक सर्किट से जोड़ा जाता है, तो एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया होती है। इलेक्ट्रॉन एनोड से तार के माध्यम से जुड़े डिवाइस को बिजली देने के लिए कैथोड तक प्रवाहित होते हैं।

हर बैटरी सेल में सीमित मात्रा में प्रतिक्रियाशील पदार्थ होते हैं। अंततः, बैटरी के भीतर विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएँ नकारात्मक इलेक्ट्रोड को इलेक्ट्रॉन की आपूर्ति बंद कर देंगी, और बिजली का प्रवाह बंद हो जाएगा। इस कारण से, बैटरी में उपलब्ध शक्ति सीमित होती है।

रिचार्जिंग

द्वितीयक बैटरियों को बाहरी स्रोत, जैसे कि सौर पैनल, पवन टर्बाइन, कार ब्रेक या मुख्य बिजली का उपयोग करके रिचार्ज किया जा सकता है। रिचार्ज के दौरान, विद्युत रासायनिक अभिक्रियाएँ विपरीत दिशा में होती हैं, जिससे सेल और उसके घटक अपनी मूल स्थिति के करीब आ जाते हैं। हालाँकि, बैटरी सख्त होने और डेंड्राइट गठन जैसी घटनाएँ बैटरी को अनंत बार रिचार्ज होने से रोकती हैं। डेंड्राइट्स खतरनाक शॉर्ट-सर्किटिंग का कारण बन सकते हैं, हालाँकि इस समस्या को कम करने में मदद करने के लिए सिरेमिक विभाजक विकसित किए जा रहे हैं।

लिथियम-आयन (ली-आयन) कनेक्टेड डिवाइस (जैसे, लैपटॉप और स्मार्टफोन), इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) और घर में अक्षय ऊर्जा भंडारण के लिए प्रमुख बैटरी तकनीक है। इन सभी उपयोग मामलों में, सुरक्षा सबसे महत्वपूर्ण है। ली-आयन अपनी सुरक्षा के कारण इन क्षेत्रों में जीतता है। जैसे-जैसे लंबी लाइफ़साइकिल वाली छोटी, ज़्यादा शक्तिशाली बैटरियों की मांग बढ़ती जा रही है, शोधकर्ता सक्रिय रूप से शॉर्ट-सर्किटिंग और ओवरहीटिंग की समस्याओं को हल करने की कोशिश कर रहे हैं, जिससे खतरनाक आग और विस्फोट हो सकते हैं।

Li-आयन कोशिकाएं दिए गए वजन (ऊर्जा घनत्व) के लिए अधिक ऊर्जा संग्रहित करती हैं

ली-आयन सेल लीड-एसिड या NiMH-आधारित बैटरियों की तुलना में दिए गए वजन और आयतन के लिए अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं और तेजी से रिचार्ज और डिस्चार्ज करने की अनुमति देते हैं। ये गुण उन्हें इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए ऊर्जा भंडारण के लिए आदर्श बनाते हैं, जहाँ हल्के पैकेज में बढ़िया ऊर्जा घनत्व आवश्यक है।

लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP) बैटरी आज के पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में इस्तेमाल की जाने वाली एक और बैटरी प्रकार है। LFP में Li-आयन बैटरी की तुलना में कम ऊर्जा घनत्व होता है, इसलिए बाद वाली बैटरी बिजली की खपत करने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आम तौर पर इस्तेमाल की जाती है जो उच्च दरों पर बैटरी को खत्म करती है। हालांकि, LFP कम से कम गिरावट के साथ उच्च तापमान का सामना कर सकते हैं और उन वस्तुओं के लिए उपयुक्त हैं जिन्हें चार्ज होने से पहले लंबे समय तक चलने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, LFP बैटरियों में आमतौर पर Li-आयन बैटरियों की तुलना में अधिक जीवन चक्र होते हैं। यही है, उन्हें अधिक बार चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है। यकीनन, Li-आयन बैटरियों की तुलना में LFP का सबसे बड़ा लाभ सुरक्षा है। बेहतर थर्मल और रासायनिक स्थिरता का मतलब है कि LFP गर्म तापमान में ठंडे रहते हैं और अगर तेजी से चार्ज या डिस्चार्ज करने या शॉर्ट-सर्किटिंग के दौरान गलत तरीके से इस्तेमाल किया जाता है तो वे असंतुलित होते हैं (आग नहीं पकड़ते)।

उन्नत बैटरी रसायन भी विकसित किए जा रहे हैं जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध बैटरियों की तुलना में लाभ प्रदान कर सकते हैं।

प्रदर्शन लाभों में हल्का वजन, उच्च ऊर्जा घनत्व, व्यापक तापमान सहनशीलता, विस्तारित जीवन चक्र और बेहतर सुरक्षा शामिल हैं। उदाहरण के लिए, Li-आयन बैटरियों में तरल इलेक्ट्रोलाइट बाहरी हवा के संपर्क में आने पर अविश्वसनीय रूप से अस्थिर हो सकता है, जैसे कि दुर्घटना के दौरान या सेल की संरचना में विफलता के दौरान। लिथियम बैटरी की आग विशेष रूप से हिंसक होती है और बुझाना मुश्किल होता है, अक्सर पूरी तरह से निष्क्रिय होने के लिए कई दिनों तक पानी में पूरी तरह से डूबे रहने की आवश्यकता होती है। यह सुझाव देने के लिए कोई सबूत नहीं है कि ईवी आग दहन-वाहन आग की तुलना में किसी भी अधिक आवृत्ति के साथ होती है - वास्तव में, वे सांख्यिकीय रूप से कम संभावना भी हो सकती हैं।

हालांकि, ईवी निर्माताओं को अभी भी लोगों को आश्वस्त करना चाहिए कि उनके वाहन सुरक्षित हैं। सैमसंग द्वारा ली-आयन बैटरी की आग से ग्रस्त स्मार्टफोन गैलेक्सी नोट 7 के विनाशकारी लॉन्च ने इस बैटरी रसायन के संभावित खतरों को लोगों की नज़र में ला दिया - एक ऐसी गलती जिसे ईवी निर्माता दोहराना नहीं चाहेंगे।

ठोस-अवस्था बैटरियां अगला सबसे व्यवहार्य विकल्प हैं

सॉलिड-स्टेट सेल आम तौर पर पारंपरिक सेल की तरह ऊर्जा को संग्रहीत करने और डिस्चार्ज करने के लिए समान लिथियम-आयन-आधारित रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करते हैं। अंतर एनोड और कैथोड को अलग करने के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोलाइट में है। पारंपरिक सेल एक तरल-आधारित इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हैं - आमतौर पर एक कार्बनिक विलायक में निलंबित लिथियम नमक - जबकि सॉलिड-स्टेट सेल इसे एक वफ़र-पतले ठोस इलेक्ट्रोलाइट के लिए बदल देते हैं, जो आमतौर पर सिरेमिक, पॉलिमर या ग्लास से बना होता है।

तरल इलेक्ट्रोलाइट को हटाने से कई संभावित लाभ मिलते हैं। सॉलिड-स्टेट सेल अपने लिक्विड-आधारित समकक्षों की तुलना में हल्के और अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं, जिसका अर्थ है कि पैक का वजन कम किया जा सकता है, या ऊर्जा क्षमता बढ़ाई जा सकती है। उन्हें लिथियम डेंड्राइट गठन के लिए अधिक प्रतिरोधी होना चाहिए, जो पावर डिस्चार्ज प्रदर्शन में सुधार करेगा और संभावित चार्जिंग गति को बढ़ाएगा, साथ ही बैटरी पैक की सेवा जीवन को बढ़ाएगा। इसके अलावा, एक बार बड़े पैमाने पर विनिर्माण हासिल हो जाने के बाद, औद्योगिक सॉल्वैंट्स को हटाने के कारण उन्हें पारंपरिक ली-आयन कोशिकाओं की तुलना में बनाना आसान और तेज़ होना चाहिए।

बैटरी सुरक्षा के क्षेत्र में सॉलिड-स्टेट सेल द्वारा और भी अधिक स्पष्ट लाभ प्रदान किए जाते हैं। दोषपूर्ण या क्षतिग्रस्त लिथियम-आयन सेल के कारण होने वाली आग को व्यापक रूप से प्रचारित किया गया है (उदाहरण के लिए शेवरले बोल्ट और इसकी एलजी-सोर्स की गई बैटरी)। कई मामलों में, ये आग इसलिए लगती है क्योंकि आंतरिक विफलता या बाहरी क्षति के कारण अस्थिर लिथियम इलेक्ट्रोलाइट बाहरी हवा के संपर्क में आ जाता है, जिससे यह प्रज्वलित हो जाता है और एक श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू हो जाती है जो पूरे बैटरी पैक को नष्ट कर सकती है। सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स इन समस्याओं को पूरी तरह से दूर रखते हैं और आग और विस्फोट के लिए अत्यधिक प्रतिरोधी होते हैं - भले ही वे पंचर हो जाएं या प्रभावित हो जाएं।

जबकि वे कई सैद्धांतिक लाभ प्रदान करते हैं, किसी भी कंपनी ने अभी तक हल्के वाहनों के लिए सॉलिड-स्टेट सेल का बड़े पैमाने पर निर्माण करने की क्षमता का प्रदर्शन नहीं किया है, जिनमें से अधिकांश अभी भी बेंच-टेस्ट चरण में हैं। अभी भी कुछ मुद्दों को हल करना बाकी है जिसमें सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड को इस तरह से डिजाइन करना शामिल है कि वे अपनी पूरी सतह पर समान रूप से इंटरफेस करें, क्योंकि कोई भी मोड़ अंतराल पैदा कर सकता है जो सेल दक्षता को सीमित करता है। इसके अलावा, सामग्री की स्थिरता एक समस्या के रूप में दिखाई गई है, इलेक्ट्रोलाइट की भंगुरता सूक्ष्म फ्रैक्चर की ओर ले जाती है जो सेल के प्रदर्शन को सीमित करती है।

फ्रांस की बोलोरे की सहायक कंपनी ब्लू सॉल्यूशंस ने डेमलर की ईसिटारो जी आर्टिकुलेटेड अर्बन बस के लिए अपने सॉलिड-स्टेट सेल की आपूर्ति के लिए एक अनुबंध जीता है - यह इस तकनीक के लिए पहला दर्ज वाणिज्यिक आपूर्ति समझौता है। हालांकि, वैकल्पिक सॉलिड-स्टेट पैक को जानबूझकर 50C और 80C के बीच के अपेक्षाकृत उच्च परिचालन तापमान पर गर्म करने की आवश्यकता होती है - इस प्रक्रिया में कुछ सीमा कम हो जाती है और अप्रत्याशित उपयोग पैटर्न वाले हल्के वाहनों में उपयोग के लिए अनुपयुक्त हो जाती है।

ईंधन सेल (हाइड्रोजन) – एक दीर्घकालिक दांव

ईंधन सेल इलेक्ट्रिक वाहन (FCEV) ईंधन सेल झिल्ली के माध्यम से ईंधन - आमतौर पर हाइड्रोजन - को ऑक्सीकरण करके बोर्ड पर बिजली उत्पन्न करते हैं, जिसमें केवल पानी का उत्सर्जन होता है। इस बिजली को सीधे इलेक्ट्रिक मोटर में भेजा जा सकता है या बाद में उपयोग के लिए एक अलग बैटरी में संग्रहीत किया जा सकता है। FCEV को हाइड्रोजन के साथ टैंक को फिर से भरकर दहन वाहनों के समान जल्दी से 'ईंधन' भरा जा सकता है, जिससे BEV द्वारा आवश्यक लंबी रिचार्ज अवधि समाप्त हो जाती है। हाइड्रोजन की ओर धक्का आंशिक रूप से एक परिपत्र ऊर्जा अर्थव्यवस्था के हिस्से के रूप में इसकी संभावित भूमिका से प्रेरित है। यहां, समुद्री जल से हाइड्रोजन को निकालने के लिए अक्षय पवन या जलविद्युत ऊर्जा का उपयोग किया जाता है। हाइड्रोजन तब उन स्रोतों द्वारा उत्पन्न ऑफ-पीक ऊर्जा के लिए एक भंडार के रूप में कार्य करता है।

जबकि FCEV के कई संभावित लाभ हैं, BEV के साथ प्रतिस्पर्धा करने से पहले प्रौद्योगिकी को परिष्कृत करने की आवश्यकता है। हाइड्रोजन उत्पन्न करने की लागत वर्तमान में गैसोलीन के उत्पादन की लागत से अधिक है, जिससे रिफिल महंगा हो जाता है। साथ ही, FCEV को समर्थन देने के लिए बुनियादी ढाँचा अभी तक नहीं बनाया गया है, जबकि EV रिचार्जिंग नेटवर्क पहले से ही तेजी से बढ़ रहे हैं।

FCEV भारी-भरकम और वाणिज्यिक वाहनों के लिए सबसे ज़्यादा उपयोगी हो सकते हैं। बैटरियाँ भारी होती हैं इसलिए वे लंबी दूरी के ट्रकों के लिए उपयुक्त नहीं हैं क्योंकि ज़रूरी बैटरियों का वज़न बहुत ज़्यादा संभावित वहन क्षमता का इस्तेमाल करेगा। लंबी दूरी के ट्रकों के लिए तय किए जाने वाले मार्गों को प्रभावी ढंग से सेवा देने के लिए कम हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों की भी ज़रूरत होती है।

संक्षेप में, एफसीईवी को उद्योग में दीर्घकालिक परिवहन के लिए एक संभावित दिशा के रूप में देखा जाता है - और इनका अनुप्रयोग प्रारंभ में बंद-लूप चार्जिंग स्टेशन नेटवर्क के साथ-साथ भारी-भरकम वाणिज्यिक वाहनों में होने की संभावना है।

स्रोत द्वारा बस ऑटो

अस्वीकरण: ऊपर दी गई जानकारी just-auto.com द्वारा Cooig.com से स्वतंत्र रूप से प्रदान की गई है। Cooig.com विक्रेता और उत्पादों की गुणवत्ता और विश्वसनीयता के बारे में कोई प्रतिनिधित्व और वारंटी नहीं देता है।