चार्जिंग आगे: बैटरियों का भविष्य

दुनिया एक बैटरी सफलता पर इंतजार कर रही है। इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के लगभग हर क्षेत्र में, एक बैटरी पर चलने वाली हर चीज, बैटरी को चलाने वाले बिजली उत्पादन और ऊर्जा जीवन तक सीमित है।

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जर्नल ऑफ पॉवर सोर्सेज के एडिटर-इन-चीफ स्टेफानो पैसेरिनी कहते हैं, "बैटरी की प्रगति या प्रगति अन्य क्षेत्रों की तुलना में बहुत धीमी है, और यह बैटरी की आंतरिक सीमा है।" “आप एक ऐसी बैटरी की उम्मीद नहीं कर सकते जो एक सप्ताह या एक महीने के लिए सेल फोन को ऊर्जा की आपूर्ति कर सके। बहुत अंत में, आप एक बैटरी में जितनी ऊर्जा स्टोर कर सकते हैं, उसकी अधिकतम मात्रा उपलब्ध तत्वों द्वारा तय की जाती है। ”

लेकिन प्रगति है। शोधकर्ता ऊर्जा घनत्व (रस प्रति वजन और मात्रा), कीमत, सुरक्षा, पर्यावरणीय प्रभाव और यहां तक ​​कि सबसे लोकप्रिय वर्ग, लिथियम-आयन बैटरी के जीवनकाल के साथ-साथ पूरे नए प्रकारों को डिजाइन करने पर काम कर रहे हैं।

अधिकांश बैटरियों को तीन मुख्य उद्योगों में पाया जा सकता है: उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, मोटर वाहन, और ग्रिड भंडारण।

ऊर्जा भंडारण अनुसंधान केंद्र के ऊर्जा विभाग के संयुक्त अनुसंधान और विकास विभाग के उप निदेशक वेंकट श्रीनिवासन कहते हैं, "मैं उन्हें तीन बड़ी बाल्टी कहूंगा, जहां लोग बैटरी के साथ काम करते हैं।" प्रत्येक बाल्टी की अलग-अलग आवश्यकताएं होती हैं, और इस प्रकार उपयोग की जाने वाली बैटरियां (कभी-कभी) एक-दूसरे से बहुत अलग हो सकती हैं। आपकी जेब में मौजूद फोन को एक ऐसी बैटरी चाहिए जो कॉम्पैक्ट और सुरक्षित हो, लेकिन वजन और लागत कम महत्वपूर्ण हो। ऑटोमोटिव बैटरियों तक स्केल, और इतनी सारी बैटरियों के साथ, लागत और वजन महत्वपूर्ण हो जाते हैं, साथ ही साथ चक्र जीवन (आप बहुत पागल हो जाएंगे यदि उस नई टेस्ला को हर दो साल में नई बैटरी की आवश्यकता होती है)। आगे भी स्केल, और बैटरी जो घरों और ग्रिड के लिए बिजली स्टोर करने के लिए उपयोग की जाने लगी हैं, उनमें बहुत कम वजन या आकार की आवश्यकताएं होती हैं।

दशकों तक, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स- आपका फोन, कंप्यूटर, कैमरा, टैबलेट, ड्रोन, यहां तक ​​कि आपकी घड़ी- लिथियम आयन बैटरी पर चलती है, उनके आसान रिचार्जबिलिटी और उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण। इन बैटरियों में, ग्रेफाइट की एक जाली, जो लिथियम आयनों से भरी होती है, एनोड बनाती है। एक ऑक्साइड कैथोड बनाता है, विपरीत टर्मिनल से जुड़ा होता है, और दोनों एक तरल इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग हो जाते हैं जो आयनों को इसके माध्यम से गुजरने की अनुमति देता है। जब बाहरी टर्मिनल जुड़े होते हैं, तो लिथियम ऑक्सीकरण होता है और आयन कैथोड में प्रवाहित होते हैं। चार्ज करना उल्टा है। जितने अधिक लिथियम आयन इस तरह स्थानांतरित किए जा सकते हैं, उतनी ही अधिक शक्ति बैटरी धारण कर सकती है। हम कॉम्पैक्ट आकार और उपयोग में आसानी की सराहना करते हैं, अगर बैटरी जीवन और सुरक्षा नहीं। पासर्निनी कहती हैं कि आगे के सुधार के लिए बहुत जगह नहीं हो सकती है।

"अब लिथियम-आयन बैटरी सीमा के करीब हैं, " वे कहते हैं। "हालांकि हम पहले से ही लगभग 10 साल पहले यह कह रहे थे, और पिछले 10 वर्षों में सुधार काफी पर्याप्त थे।"

कारों के मामले में, बैटरी अंततः कार के जीवनकाल के लिए और इलेक्ट्रिक कारों की बात होने पर खतरनाक श्रेणी की चिंता के लिए जिम्मेदार होती है। इस समस्या से निपटने के लिए, इंजीनियर और वैज्ञानिक बैटरी में अधिक वोल्टेज क्षमता रटना करने की कोशिश कर रहे हैं। लेकिन यह अक्सर दोषपूर्ण रासायनिक प्रतिक्रियाओं से जुड़ा होता है, जो समय के साथ क्षमता को कम कर देता है। अनुसंधान का एक बड़ा सौदा लिथियम-आयन जाली या बैटरी के अन्य भागों की सहायता करने या बदलने के लिए नई सामग्री और रसायन खोजने के लिए समर्पित है।

श्रीनिवासन कुछ संभावित नवाचारों की ओर इशारा करते हैं, और ये केवल कारों के लिए ही नहीं हैं: पारंपरिक ग्रेफाइट एनोड जाली को सिलिकॉन से बदला जा सकता है, जो कई लिथियम आयनों के 10 गुना है। लेकिन सिलिकॉन का विस्तार होता है क्योंकि यह लिथियम को अवशोषित करता है, इसलिए बैटरी को इसके लिए जिम्मेदार होना होगा। या: जाली के बजाय, लिथियम धातु एनोड के रूप में कार्य कर सकता है-बशर्ते हम यह पता लगा सकते हैं कि रिचार्ज होने पर इसे भयावह रूप से छोटा करने से कैसे बचा जा सकता है। यह एक मुद्दा है कि बैटरी निर्माता दशकों से लिथियम आयन बैटरी का आविष्कार करने के बाद से हल करने की कोशिश कर रहे हैं। श्रीनिवासन कहते हैं, "हमें बहुत उम्मीद है कि हम ऐसे समय में हैं जब 30 साल पुरानी समस्या को फिर से संबोधित किया जा सकता है।"

शायद लिथियम को पूरी तरह से बदला जा सकता है। शोधकर्ता इसके बजाय सोडियम या मैग्नीशियम का उपयोग करने के तरीकों को देख रहे हैं, और संयुक्त केंद्र ऊर्जा भंडारण अनुसंधान के लिए कस्टम-डिज़ाइन किए गए, ऑक्साइड-आधारित सामग्रियों की जांच करने के लिए कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग कर रहे हैं जो एक मैग्नीशियम एनोड के कैथोड के रूप में काम कर सकते हैं। मैग्नीशियम विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि इसकी संरचना इसे प्रति परमाणु दो इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने की अनुमति देती है, यह चार्ज को दोगुना कर सकती है।

इलिनोइस विश्वविद्यालय में प्रशांत जैन और उनके सहयोगी लिथियम बैटरी के एक अलग पहलू पर काम कर रहे हैं: इलेक्ट्रोलाइट। इलेक्ट्रोलाइट वह द्रव होता है, जो धनायन (धनात्मक आवेशित आयन) और आयन (ऋणात्मक रूप से आवेशित आयन) के बीच के स्थान को भर देता है, जिससे आवेशित कणों को प्रवाहित होने की अनुमति मिलती है। यह लंबे समय से ज्ञात है कि कुछ ठोस सामग्री, जैसे कि तांबा सेलेनाइड, आयनों को भी प्रवाह करने की अनुमति देगा, लेकिन उच्च शक्ति वाले उपकरणों को चलाने के लिए जल्दी से पर्याप्त नहीं है। जैन, रसायन विज्ञान के सहायक प्रोफेसर और उनके छात्रों ने कॉपर सेलेनाइड के नैनोकणों से बने एक सुपरोनिक सॉलिड को विकसित किया है, जिसमें विभिन्न गुण हैं। यह चार्ज कणों को एक तरल इलेक्ट्रोलाइट की तुलना में एक दर पर प्रवाह करने की अनुमति देता है।

इस तकनीक के संभावित लाभ दो गुना हैं: सुरक्षा और जीवन चक्र। यदि वर्तमान लिथियम आयन बैटरी क्षतिग्रस्त हो जाती है, तो बैटरी शॉर्ट हो जाती है और गर्म हो जाती है। तरल वाष्पीकृत होता है, और ऊर्जा के तेजी से स्त्राव को रोकने के लिए कुछ भी नहीं है। एक ठोस उस लघु को रोक देगा और एक पूर्ण-धातु एनोड की अनुमति देगा, जो एक अधिक ऊर्जा क्षमता प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, बार-बार चक्रों पर, तरल इलेक्ट्रोलाइट्स कैथोड और एनोड को भंग करना शुरू करते हैं, और यह एक प्राथमिक कारण है कि बैटरी अंततः चार्ज करने में विफल रहती है।

“इन सभी वृद्धिशील सुधारों ने वास्तव में कुछ प्रगति की है। जैन कहते हैं, लेकिन एक बड़ी नाटकीय सफलता, विघटनकारी तकनीक कभी नहीं रही, जहां अब कोई भी कह सकता है कि ठोस इलेक्ट्रोलाइट आयनों को परिवहन के मामले में संभावित रूप से मेल खाता है, जो कि तरल इलेक्ट्रोलाइट्स [कर सकते हैं], ”जैन कहते हैं। "अब जब सुरक्षा के मुद्दे सामने आ रहे हैं, तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ, शोधकर्ताओं ने ऐसा किया है, हो सकता है कि हमें ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ कुछ नाटकीय रूप से सोचने की ज़रूरत है और, एक बार और सभी के लिए, एक ऐसा बनाएं जो एक तरल इलेक्ट्रोलाइट को बदल सके।"

लिथियम आयन बैटरी के सह-आविष्कारक जॉन गुडेनफ एक ग्लास-आधारित इलेक्ट्रोलाइट के साथ एक बैटरी विकसित कर रहे हैं। (कॉकरेल स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग, ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय)

मूल लिथियम आयन बैटरी के सह-अन्वेषकों में से एक खुद ठोस-राज्य इलेक्ट्रोलाइट्स की ओर एक और समझौता कर रहा है: टेक्सास विश्वविद्यालय में इंजीनियरिंग के एमरीस प्रोफेसर जॉन गुडनेफ ने एक ग्लास के साथ बैटरी के लिए एक पेटेंट आवेदन प्रकाशित और दर्ज किया है। -बेड इलेक्ट्रोलाइट। लिथियम या सोडियम के साथ ग्लास को लगाकर, गुडेनो शॉर्ट्स को रोकने और एक ठोस एनोड के साथ ऊर्जा क्षमता को बढ़ाते हुए वर्तमान को और भी तेजी से प्रवाह करने की अनुमति देने में सक्षम है।

यह सब अनुसंधान हमारी जेब और ऑटोमोबाइल में बैटरी के लिए प्रभावशाली होने जा रहा है। लेकिन एक तीसरी श्रेणी है, जहां प्रभाव वैश्विक हैं।

मेलानी सैनफोर्ड एक अलग प्रकार की बैटरी पर मॉडलिंग टूल का उपयोग कर रहे हैं-विशाल, रेडॉक्स प्रवाह बैटरी जो अक्षय ऊर्जा संयंत्रों से बिजली स्टोर करेगी और इसे तब जारी करेगी जब हवा और सूरज उपलब्ध नहीं होंगे। ऊर्जा उत्पादन और खपत की चोटियों और घाटियों को समतल करने से नवीकरणीय पैमाने को सिर्फ पूरक शक्ति से अधिक प्रदान करने में मदद मिलेगी।

दक्षिणी कैलिफोर्निया एडिसन पहले से ही बैटरी बैंकों के साथ प्रयोग कर रहा है, टेस्ला कार बैटरी का उपयोग कर रहा है, लेकिन क्योंकि बैटरी पारंपरिक लिथियम आयन-आधारित हैं, वे बड़े पैमाने पर उपयोग करने के लिए महंगे हैं जो वैश्विक नवीकरणीय शक्ति की अनुमति देगा। इसके अलावा, ग्रिड बैटरी के लिए बाधाएं एक कार की तुलना में बहुत अलग हैं। वजन और आकार एक मुद्दा नहीं है, लेकिन कीमत और जीवनकाल हैं।

एक रेडॉक्स प्रवाह बैटरी में, ऊर्जा भंडारण सामग्री को बड़े टैंक में तरल रूप में रखा जाता है, फिर एक छोटे सेल में पंप किया जाता है जहां यह एक समान उपकरण के साथ प्रतिक्रिया करता है जिसमें विपरीत चार्ज होता है। कंप्यूटर मॉडलिंग ने सैनफोर्ड की प्रयोगशाला को कस्टम डिजाइन कार्बनिक अणुओं की अनुमति दी है, जिससे एक दिन से लेकर महीनों तक एक हजार गुना वृद्धि हुई है, इन अणुओं का समय स्थिर रहता है।

"ग्रिड-स्केल स्रोत के लिए, जिस तरह की चीज़ की आपको ज़रूरत है वह ऐसी सामग्री है जो सुपर सस्ती हैं, क्योंकि हम बड़ी बैटरी के बारे में बात कर रहे हैं, " ऑर्डफोर्ड कहते हैं। "हम एक पवन खेत के बारे में बात कर रहे हैं, और फिर इन बैटरी रखने वाले गोदामों का एक तुलनीय क्षेत्र।"

सैनफोर्ड के अनुसार, नवाचारों से सामग्री विज्ञान दोनों - हमारी बैटरी में डालने के लिए नई सामग्री विकसित करने से आएगी - और इंजीनियरों से जो उन सामग्रियों के आसपास निर्मित प्रणालियों को अधिक कुशल बनाएंगे। दोनों की जरूरत होगी, लेकिन शोध से उत्पादन तक पाइपलाइन जरूरी एक और अड़चन होगी।

"हर किसी को पता होना चाहिए कि एक बैटरी नहीं है जो सभी अनुप्रयोगों को फिट कर सकती है, " पासरिनी कहती है। "यह स्पष्ट है कि यहां तक ​​कि थोड़ा सा लाभ पाने के लिए- 10 प्रतिशत, 20 प्रतिशत प्रदर्शन-यह एक बड़ा मुद्दा है। हमें क्षेत्र में अनुसंधान करने की आवश्यकता है। वैज्ञानिकों को समर्थन देने की जरूरत है। ”