बैटरी तकनीक के लिए एक चंद्र परियोजना

अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने छह अनुसंधान दलों को वित्त पोषण की घोषणा की है जिन्हें बैटरी तकनीक विकसित करनी है जो वर्तमान सर्वश्रेष्ठ वाणिज्यिक lithium-ion कोशिकाओं की 4 गुना ऊर्जा घनत्व प्रदान कर सके। राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं, विश्वविद्यालयों और निजी कंपनियों से चुनी गई ये टीमें केवल प्रयोगशाला के प्रदर्शन नहीं बल्कि उत्पादन योग्य प्रोटोटाइप बनाने के लिए एक महत्वाकांक्षी दो साल की समय सीमा प्राप्त करती हैं जिन्हें वास्तव में उत्पादन में बढ़ाया जा सकता है।

यह पहल हाल के वर्षों में संघीय सरकार द्वारा निर्धारित बैटरी विकास के सबसे आक्रामक लक्ष्यों में से एक का प्रतिनिधित्व करती है। वर्तमान अत्याधुनिक lithium-ion बैटरी कोशिका स्तर पर प्रति किलोग्राम 250 से 300 वाट-घंटे की ऊर्जा घनत्व प्राप्त करती हैं। चार गुना सुधार ऊर्जा घनत्व को प्रति किलोग्राम 1,000 वाट-घंटे या उससे अधिक तक धकेलेगा, एक सीमा जो संग्रहीत विद्युत ऊर्जा पर निर्भर लगभग हर अनुप्रयोग के अर्थशास्त्र और क्षमता को मौलिक रूप से बदल देगी।

4 गुना महत्वपूर्ण क्यों है

ऊर्जा घनत्व को चौगुना करने का विशिष्ट लक्ष्य मनमाना नहीं है। इस स्तर पर, बैटरी मौजूदा तकनीक के साधारण वृद्धिशील सुधार के बजाय परिवर्तनकारी बन जाती हैं। इसके प्रभाव कई क्षेत्रों में फैले हैं:

  • सैन्य अनुप्रयोग: सैनिक रेडियो और सेंसर से लेकर मानवरहित प्रणालियों और इलेक्ट्रॉनिक युद्ध उपकरणों तक सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का बढ़ता भार ले जाते हैं। बैटरी जो समान ऊर्जा क्षमता के लिए चौथाई वजन होती है, सशस्त्र सेना पर शारीरिक बोझ को नाटकीय रूप से कम करेगी और बैटरी संचालित सैन्य प्रणालियों की परिचालन सहनशीलता को बढ़ाएगी।
  • विद्युत वाहन: ऊर्जा घनत्व में चौगुनी वृद्धि एक ही चार्ज पर 1,000 मील से अधिक की रेंज वाली विद्युत कारों को संभव बना सकती है, या वैकल्पिक रूप से, वर्तमान रेंज वाली लेकिन काफी छोटी और हल्की बैटरी पैक वाली कारें। यह रेंज चिंता को गोद लेने के लिए एक बाधा के रूप में खत्म कर देगा और विद्युत वाहनों को हर प्रदर्शन आयाम में दहन इंजन के साथ प्रतिस्पर्धी बना देगा।
  • विमानन: बैटरी का वजन छोटे ड्रोन से बड़ी किसी भी चीज के लिए विद्युत उड़ान के लिए प्राथमिक बाधा है। वर्तमान 4 गुना ऊर्जा घनत्व वाली बैटरी विद्युत क्षेत्रीय विमान को संभव बनाएंगी और सैन्य और वाणिज्यिक ड्रोन की रेंज और पेलोड क्षमता को नाटकीय रूप से बढ़ाएंगी।
  • ग्रिड स्टोरेज: उच्च ऊर्जा घनत्व का अर्थ है कम जगह में अधिक भंडारण क्षमता, जो ग्रिड-स्केल बैटरी स्थापनाओं की भूमि उपयोग और सामग्री आवश्यकताओं को कम करता है जो रुक-रुक कर नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों को एकीकृत करने के लिए आवश्यक हैं।

तकनीकी चुनौती

बैटरी ऊर्जा घनत्व में 4 गुना सुधार हासिल करना एक असाधारण रूप से महत्वाकांक्षी लक्ष्य है, और कोई गारंटी नहीं है कि छह वित्त पोषित टीमों में से कोई भी दो साल की समय सीमा के भीतर सफल होगी। वर्तमान lithium-ion तकनीक को तीन दशकों के गहन अनुसंधान और विकास के माध्यम से परिष्कृत किया गया है, और वृद्धिशील सुधार के शेष अवसर कम हो रहे हैं। वर्तमान प्रदर्शन के 4 गुना तक पहुंचना लगभग निश्चित रूप से मौलिक रूप से अलग रसायन विज्ञान या आर्किटेक्चर की आवश्यकता होगी।

अनुसंधान समुदाय कई संभावित दृष्टिकोणों की खोज कर रहा है, हालांकि DOE ने सार्वजनिक रूप से यह विस्तार नहीं किया है कि प्रत्येक वित्त पोषित टीम किन विशिष्ट तकनीकों का पीछा कर रही है। सबसे आशाजनक दृष्टिकोणों में निम्नलिखित शामिल हैं:

  • Lithium-sulfur बैटरी: Sulfur कैथोड पारंपरिक lithium-ion कैथोड की तुलना में सिद्धांत रूप से कई गुना अधिक ऊर्जा घनत्व प्रदान करते हैं। हालांकि, lithium-sulfur कोशिकाएं ऐतिहासिक रूप से इलेक्ट्रोलाइट में सल्फर यौगिकों के विघटन के कारण तेजी से क्षमता में गिरावट से पीड़ित रही हैं, और इस समस्या को वाणिज्यिक पैमाने पर हल करना कठिन साबित हुआ है।
  • ठोस-स्थिति बैटरी: पारंपरिक lithium-ion कोशिकाओं में तरल इलेक्ट्रोलाइट को ठोस इलेक्ट्रोलाइट से बदलना lithium धातु एनोड के उपयोग को सक्षम करता है, जिसमें वर्तमान कोशिकाओं में उपयोग की जाने वाली graphite एनोड की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व है। ठोस-स्थिति तकनीक ने विशाल निवेश आकर्षित किया है लेकिन विनिर्माण चुनौतियों का सामना कर रही है जिसने वाणिज्यकरण में देरी की है।
  • Lithium-air बैटरी: ये कोशिकाएं परिवेशी हवा से oxygen को कैथोड प्रतिक्रियाशील के रूप में उपयोग करती हैं, सिद्धांत रूप से सभी बैटरी रसायन विज्ञान में सर्वोच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान करती हैं। व्यावहारिक lithium-air बैटरी अभी भी काफी हद तक अनुसंधान चरण में हैं, चक्र जीवन, दक्षता और आर्द्रता और प्रदूषकों के प्रति संवेदनशीलता में महत्वपूर्ण चुनौतियों के साथ।
  • उन्नत silicon एनोड: Silicon graphite की तुलना में प्रति यूनिट द्रव्यमान में लगभग दस गुना अधिक lithium संग्रहीत कर सकता है, लेकिन चार्जिंग के दौरान नाटकीय रूप से फूलता है, जिससे यांत्रिक गिरावट होती है। नैनो-संरचित silicon और silicon-carbon कंपोजिट इस समस्या को कम करने के लिए विकसित किए जा रहे हैं।

विनिर्माण योग्यता आवश्यकता

शायद DOE पहल का सबसे महत्वपूर्ण पहलू विनिर्माण योग्य प्रोटोटाइप पर इसका जोर है। बैटरी अनुसंधान का इतिहास प्रयोगशाला प्रदर्शनों से भरा हुआ है जो प्रभावशाली ऊर्जा घनत्व प्राप्त करते हैं लेकिन पैमाने पर, प्रतिस्पर्धी लागत पर, या पर्याप्त चक्र जीवन के साथ उत्पादित नहीं किए जा सकते हैं। वित्त पोषित टीमों को विनिर्माण योग्यता प्रदर्शित करने की आवश्यकता करके, DOE अनुसंधान परिणामों को मनाने के सामान्य जाल से बचने का प्रयास कर रहा है जो कभी वाणिज्यिक उत्पादों में अनुवाद नहीं करते हैं।

  • Grid स्टोरेज: उच्च ऊर्जा घनत्व का अर्थ है कम जगह में अधिक भंडारण क्षमता, जो ग्रिड-स्केल बैटरी स्थापनाओं की भूमि उपयोग और सामग्री आवश्यकताओं को कम करता है जो रुक-रुक कर नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों को एकीकृत करने के लिए आवश्यक हैं।

    • विनिर्माण योग्यता आवश्यकता

    शायद DOE पहल का सबसे महत्वपूर्ण पहलू विनिर्माण योग्य प्रोटोटाइप पर इसका जोर है। बैटरी अनुसंधान का इतिहास प्रयोगशाला प्रदर्शनों से भरा हुआ है जो प्रभावशाली ऊर्जा घनत्व प्राप्त करते हैं लेकिन पैमाने पर, प्रतिस्पर्धी लागत पर, या पर्याप्त चक्र जीवन के साथ उत्पादित नहीं किए जा सकते हैं। वित्त पोषित टीमों को विनिर्माण योग्यता प्रदर्शित करने की आवश्यकता करके, DOE अनुसंधान परिणामों को मनाने के सामान्य जाल से बचने का प्रयास कर रहा है जो कभी वाणिज्यिक उत्पादों में अनुवाद नहीं करते हैं।

    यह आवश्यकता व्यावहारिक बाधाओं की एक परत जोड़ता है जो निर्धारित करता है कि कौन से तकनीकी दृष्टिकोण व्यवहार्य हैं। एक रसायन विज्ञान जो असाधारण ऊर्जा घनत्व प्राप्त करता है लेकिन विदेशी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो केवल छोटी मात्रा में उपलब्ध हैं, या विनिर्माण प्रक्रियाएं जिन्हें प्रयोगशाला के बाहर स्केल नहीं किया जा सकता है, कार्यक्रम के उद्देश्यों को पूरा नहीं करेंगी। टीमों को आपूर्ति श्रृंखला, लागत और उत्पादन स्केलेबिलिटी पर विचार करना चाहिए साथ ही कच्चे प्रदर्शन मेट्रिक्स के साथ।

    प्रतिस्पर्धी परिदृश्य

    संयुक्त राज्य अमेरिका उन्नत बैटरी तकनीक की खोज में अकेला नहीं है। चीन, जापान, दक्षिण कोरिया और EU सभी के पास बड़े बैटरी अनुसंधान और विनिर्माण कार्यक्रम हैं, और अगली पीढ़ी की बैटरी विकसित करने के लिए वैश्विक दौड़ दशक की सबसे परिणामकारी तकनीकी प्रतिस्पर्धाओं में से एक है। जो देश या क्षेत्र सबसे पहले बैटरी प्रदर्शन में सफलता हासिल करता है, उसे ऑटोमोटिव निर्माण, रक्षा क्षमता और ऊर्जा बुनियादी ढांचे में महत्वपूर्ण फायदे मिलेंगे।

    DOE का निवेश इस बात की मान्यता को दर्शाता है कि संयुक्त राज्य अमेरिका इस दौड़ में पिछड़ नहीं सकता। उन्नत बैटरी को तेजी से न केवल एक वाणिज्यिक अवसर के रूप में बल्कि राष्ट्रीय सुरक्षा और आर्थिक प्रतिस्पर्धा के मुद्दे के रूप में देखा जा रहा है। दो साल की समय सीमा किसी भी मानदंड से आक्रामक है, लेकिन यह प्रतिस्पर्धा की तत्कालता और सफलता की संभावित पुरस्कार को दर्शाती है।

    यदि छह टीमों में से कोई भी विनिर्माण योग्य डिजाइन के साथ 4 गुना ऊर्जा घनत्व का लक्ष्य प्रदान कर सकता है, तो परिणाम शताब्दी की सबसे महत्वपूर्ण सामग्री विज्ञान सफलताओं में से एक होगा, जिसमें परिवहन, ऊर्जा, रक्षा और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स को एक साथ फिर से आकार देने की संभावना है।

    यह लेख Defense One की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।