ईवी बैटरियों की अंदरूनी कहानी: एनसीएम, एनसीए, एलएफपी और सॉलिड-स्टेट केमिस्ट्री का रहस्योद्घाटन

इलेक्ट्रिक वाहनों के परिवहन भार को पूरी तरह से अपने ऊपर न ले पाने का मुख्य कारण उनकी उच्च वोल्टेज बैटरियों का प्रौद्योगिकी स्तर है। भले ही पिछले दशक के दौरान इस क्षेत्र में भारी प्रगति हुई है, बैटरी की ऊर्जा सामग्री तरल ईंधन की ऊर्जा सामग्री के आसपास भी नहीं है। ऑटोमोटिव अनुसंधान की पवित्र कब्र वर्तमान में उपलब्ध बैटरी की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा घनत्व वाली बैटरी है। इसलिए हमने वर्तमान और आशाजनक आगामी बैटरी प्रौद्योगिकियों की समीक्षा करने और आपको गति प्रदान करने का निर्णय लिया।

वर्तमान में उपयोग में आने वाली प्रौद्योगिकियाँ

लिथियम आयन - एनसीएम और एनसीए कैथोड

लिथियम आयन बैटरियां लगभग 30 साल पहले की हैं, जब सोनी ने इसे एक वाणिज्यिक उपकरण - सोनी सीसीडी-टीआर1 कैमकॉर्डर में पेश किया था। लिथियम आयन बैटरी कैसे काम करती है? संक्षेप में, लिथियम आयन एनोड से कैथोड तक आगे-पीछे यात्रा करते हैं। डिस्चार्ज के दौरान एनोड लिथियम आयनों को कैथोड में भेजता है। लिथियम आयन तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के माध्यम से यात्रा करते हैं जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से यात्रा करते हैं और सेल के कैथोड में पुनः संयोजित होते हैं। चार्जिंग के दौरान विपरीत होता है।

आजकल, लिथियम आयन एनसीएम और एनसीए उच्च वोल्टेज बैटरी प्रकार का उपयोग लगभग विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों में किया जाता है। एन का मतलब निकेल, सी का मतलब कोबाल्ट, एम का मतलब मैंगनीज और ए का मतलब एल्युमीनियम है। बैटरी के कैथोड में इन सामग्रियों के प्रतिशत के आधार पर, विभिन्न विशेषताएं प्राप्त की जाती हैं। उदाहरण के लिए एनसीएम 712 बैटरी का मतलब है कि इसमें 70% निकेल, 10% कोबाल्ट और 20% मैंगनीज है। सामान्य तौर पर, बैटरी में निकेल प्रतिशत जितना अधिक होगा, बैटरी ऊर्जा घनत्व उतना अधिक होगा जो बैटरी पैक के वजन और आयामों पर गहरा सकारात्मक प्रभाव डाल सकती है।

पृथ्वी की पपड़ी में कोबाल्ट की कमी और इसकी संदिग्ध खनन नैतिकता (बाल श्रम) के कारण, बैटरी निर्माता सामग्री के कम प्रतिशत या इसके पूर्ण बहिष्कार के साथ रसायनों का उपयोग करने का प्रयास करते हैं। एनोड में उच्च निकेल कैथोड, सेल टू पैक व्यवस्था और सिलिकॉन का संयोजन इसकी ऊर्जा घनत्व को 325 Wh/kg तक ला सकता है। हम कह सकते हैं कि इस प्रकार की बैटरी अपनी तकनीकी सीमाओं के निकट है।

लिथियम आयन - एलएफपी कैथोड

ली-आयन बैटरियों के कैथोड का एक अन्य विकल्प लिथियम आयरन फॉस्फेट का उपयोग है। हालाँकि इस प्रकार की बैटरी का प्रदर्शन आम तौर पर एनएमसी प्रकार से कम होता है, लेकिन इसकी उच्च सेवा जीवन और सस्ती और अधिक सामान्य सामग्री के उपयोग के कारण कुछ निर्माताओं द्वारा इसे पसंद किया जाता है। दो मुख्य कारकों के कारण यहां विशिष्ट ऊर्जा घनत्व कम है।

पहला, क्योंकि अधिकतम वोल्टेज कम है, इसका मतलब है कि समान कैपेसिटेंस के लिए हमें कम kWh मिलता है और दूसरा, क्योंकि लिथियम आयन एक स्थानिक आयाम में चलते हैं (एनएमसी बैटरी में दो के बजाय)। तथ्य यह है कि लिथियम आयन केवल एक स्थानिक आयाम में चलते हैं, इसका मतलब है कि बैटरी की अधिकतम डिस्चार्ज पावर भी कम है, यही कारण है कि इस प्रकार की बैटरी को उच्च प्रदर्शन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं माना जाता है।

यही कारण है कि टेस्ला इस प्रकार की बैटरी रसायन विज्ञान का उपयोग केवल मॉडल 3 के आधार संस्करण के लिए करता है। हालांकि इस प्रकार की बैटरी के दो प्रमुख फायदे हैं। इसकी दीर्घायु अन्य ली-आयन प्रकारों की तुलना में अधिक मानी जाती है और न केवल इसे 100% चार्ज करने पर कोई समस्या नहीं होती है, बल्कि यह वास्तव में इन बैटरियों के लिए एक मजबूत अनुशंसा है।

संभावित भविष्य की प्रौद्योगिकियाँ

लिथियम - वायु

लिथियम-एयर बैटरियां फिलहाल ज्यादातर एक तकनीकी परियोजना हैं और अनुसंधान के अधीन हैं, लेकिन इस प्रकार की बैटरी सभी में सबसे अधिक आशाजनक प्रतीत होती है और 11.4 kWh/किग्रा के साथ तरल ईंधन के समान विशिष्ट ऊर्जा क्षमता प्रस्तुत करती है। एनोड में लिथियम पाया जाता है जबकि कैथोड में हवा होती है और इन दोनों को इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किया जाता है। डिस्चार्जिंग के दौरान, एनोड से लिथियम आयन कैथोड तक जाते हैं जहां हवा मौजूद होती है और ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं।

दुर्भाग्य से, चार्जिंग के दौरान उच्च तापमान बैटरी को तेजी से रिचार्ज करने से रोकता है, जबकि प्रक्रिया के दौरान डेंड्राइट्स का निर्माण बैटरी की सेवा जीवन को काफी कम कर देता है, जिससे वर्तमान में प्रयोगशाला वातावरण में इसका उपयोग सीमित हो जाता है। यदि इसकी तकनीकी चुनौतियों पर काबू पा लिया जाए और इसकी लागत वाजिब हो तो आईसीई वाहन रातों-रात अप्रचलित हो जाएंगे।

ठोस अवस्था

इसे कार बैटरियों का पवित्र ग्रिल माना जाता है और वर्तमान में ऑटोमोटिव उद्योग के सभी दिग्गजों द्वारा इस पर व्यापक शोध किया जा रहा है। आज की पारंपरिक लिथियम आयन बैटरियां एनोड को कैथोड से विभाजित करने के लिए तरल इलेक्ट्रोलाइट्स और एक विभाजक का उपयोग करती हैं। ठोस अवस्था बैटरी में तरल इलेक्ट्रोलाइट और विभाजक को ठोस इलेक्ट्रोलाइट द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।

शोधकर्ता वर्तमान में ठोस इलेक्ट्रोलाइट के लिए कई विकल्पों का मूल्यांकन कर रहे हैं, जिनमें धातु और सिरेमिक दोनों पदार्थ शामिल हैं। हालाँकि वर्तमान में कोई भी इलेक्ट्रिक वाहन इस बैटरी तकनीक का उपयोग नहीं करता है, लेकिन पहले उत्पादन मॉडल अगले दो से तीन वर्षों के भीतर बाजार में आने की उम्मीद है। अनुमान है कि यह बैटरी 1,000 चक्रों के जीवनकाल को बनाए रखते हुए, तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ पारंपरिक ली-आयन बैटरियों की तुलना में दोगुनी विशिष्ट ऊर्जा घनत्व प्रदान करेगी, हालांकि विकास की प्रगति के साथ इन अनुमानों में संभावित रूप से सुधार हो सकता है।