बैटरी प्रौद्योगिकी का भविष्य: सिलिकॉन एनोड, ग्राफीन, एल्यूमीनियम-ऑक्सीजन बैटरी, आदि।

संपादक का नोट: विद्युत प्रौद्योगिकी हरित पृथ्वी का भविष्य है, और बैटरी प्रौद्योगिकी विद्युत प्रौद्योगिकी की नींव है और विद्युत प्रौद्योगिकी के बड़े पैमाने पर विकास को प्रतिबंधित करने की कुंजी है। वर्तमान मुख्यधारा बैटरी तकनीक लिथियम-आयन बैटरी है, जिसमें अच्छी ऊर्जा घनत्व और उच्च दक्षता है। हालाँकि, लिथियम उच्च लागत और सीमित संसाधनों वाला एक दुर्लभ तत्व है। साथ ही, जैसे-जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग बढ़ता है, लिथियम-आयन बैटरियों का ऊर्जा घनत्व अब पर्याप्त नहीं रह गया है। कैसे प्रतिक्रिया दें? मयंक जैन ने कुछ बैटरी प्रौद्योगिकियों का जायजा लिया है जिनका उपयोग भविष्य में किया जा सकता है। मूल लेख माध्यम पर शीर्षक के साथ प्रकाशित हुआ था: बैटरी प्रौद्योगिकी का भविष्य

पृथ्वी ऊर्जा से भरी है, और हम उस ऊर्जा को पकड़ने और उसका अच्छा उपयोग करने के लिए हर संभव प्रयास कर रहे हैं। हालाँकि हमने नवीकरणीय ऊर्जा में परिवर्तन में बेहतर काम किया है, लेकिन हमने ऊर्जा भंडारण में बहुत प्रगति नहीं की है।
वर्तमान में, बैटरी तकनीक का उच्चतम मानक लिथियम-आयन बैटरी है। ऐसा लगता है कि इस बैटरी में सर्वोत्तम ऊर्जा घनत्व, उच्च दक्षता (लगभग 99%) और लंबा जीवन है।
तो क्या गलत हुआ? जैसे-जैसे हमारे द्वारा ग्रहण की जाने वाली नवीकरणीय ऊर्जा बढ़ती जा रही है, लिथियम-आयन बैटरियों का ऊर्जा घनत्व अब पर्याप्त नहीं रह गया है।
चूँकि हम बैचों में बैटरियों का उत्पादन जारी रख सकते हैं, इसलिए यह कोई बड़ी बात नहीं लगती, लेकिन समस्या यह है कि लिथियम एक अपेक्षाकृत दुर्लभ धातु है, इसलिए इसकी लागत कम नहीं है। हालाँकि बैटरी उत्पादन लागत कम हो रही है, ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता भी तेजी से बढ़ रही है।
हम एक ऐसे बिंदु पर पहुंच गए हैं जहां एक बार लिथियम आयन बैटरी का निर्माण हो जाने के बाद, इसका ऊर्जा उद्योग पर बहुत बड़ा प्रभाव पड़ेगा।
जीवाश्म ईंधन का उच्च ऊर्जा घनत्व एक तथ्य है, और यह एक बड़ा प्रभावशाली कारक है जो नवीकरणीय ऊर्जा पर पूर्ण निर्भरता में परिवर्तन में बाधा डालता है। हमें ऐसी बैटरियां चाहिए जो हमारे वजन से अधिक ऊर्जा उत्सर्जित करें।
लिथियम-आयन बैटरियां कैसे काम करती हैं
लिथियम बैटरियों का कार्य तंत्र सामान्य AA या AAA रासायनिक बैटरियों के समान है। उनके पास एनोड और कैथोड टर्मिनल हैं, और बीच में एक इलेक्ट्रोलाइट 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 है, एनोड (-टर्मिनल) ग्रेफाइट से बना है, और ग्रेफाइट कार्बन से बना है। विद्युत मात्र इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह है। ये बैटरियां एनोड और कैथोड के बीच लिथियम आयनों को स्थानांतरित करके बिजली उत्पन्न करती हैं।
चार्ज होने पर, आयन एनोड में चले जाते हैं, और जब डिस्चार्ज हो जाते हैं, तो आयन कैथोड में चले जाते हैं।
आयनों की यह गति सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की गति का कारण बनती है, इसलिए लिथियम आयन गति और इलेक्ट्रॉन गति संबंधित हैं।
सिलिकॉन एनोड बैटरी
बीएमडब्ल्यू जैसी कई बड़ी कार कंपनियां सिलिकॉन एनोड बैटरी के विकास में निवेश कर रही हैं। सामान्य लिथियम-आयन बैटरियों की तरह, ये बैटरियां लिथियम एनोड का उपयोग करती हैं, लेकिन कार्बन-आधारित एनोड के बजाय, वे सिलिकॉन का उपयोग करती हैं।
एनोड के रूप में, सिलिकॉन ग्रेफाइट से बेहतर है क्योंकि इसमें लिथियम को धारण करने के लिए 4 कार्बन परमाणुओं की आवश्यकता होती है, और 1 सिलिकॉन परमाणु 4 लिथियम आयनों को धारण कर सकता है। यह एक प्रमुख उन्नयन है... सिलिकॉन को ग्रेफाइट से 3 गुना अधिक मजबूत बनाना।

फिर भी, लिथियम का उपयोग अभी भी दोधारी तलवार है। यह सामग्री अभी भी महंगी है, लेकिन उत्पादन सुविधाओं को सिलिकॉन कोशिकाओं में स्थानांतरित करना भी आसान है। यदि बैटरियां पूरी तरह से अलग हैं, तो फ़ैक्टरी को पूरी तरह से नया डिज़ाइन करना होगा, जिससे स्विचिंग का आकर्षण थोड़ा कम हो जाएगा।
शुद्ध सिलिकॉन का उत्पादन करने के लिए रेत का उपचार करके सिलिकॉन एनोड बनाए जाते हैं, लेकिन वर्तमान में शोधकर्ताओं के सामने सबसे बड़ी समस्या यह है कि उपयोग करने पर सिलिकॉन एनोड फूल जाते हैं। इससे बैटरी बहुत जल्दी खराब हो सकती है। बड़े पैमाने पर एनोड का उत्पादन करना भी मुश्किल है।

ग्राफीन बैटरी
ग्राफीन एक प्रकार का कार्बन फ्लेक है जो पेंसिल के समान सामग्री का उपयोग करता है, लेकिन ग्रेफाइट को फ्लेक्स से जोड़ने में बहुत समय लगता है। कई उपयोग मामलों में उत्कृष्ट प्रदर्शन के लिए ग्राफीन की प्रशंसा की जाती है, और बैटरी उनमें से एक है।

कुछ कंपनियां ग्राफीन बैटरियों पर काम कर रही हैं जो मिनटों में पूरी तरह चार्ज हो सकती हैं और लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में 33 गुना तेजी से डिस्चार्ज हो सकती हैं। यह इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए बहुत मूल्यवान है।
फ़ोम बैटरी
वर्तमान में, पारंपरिक बैटरियां द्वि-आयामी हैं। इन्हें या तो लिथियम बैटरी की तरह जमा किया जाता है या सामान्य AA या लिथियम-आयन बैटरी की तरह लपेटा जाता है।
फोम बैटरी एक नई अवधारणा है जिसमें 3डी स्पेस में इलेक्ट्रिक चार्ज की गति शामिल है।
यह 3-आयामी संरचना चार्जिंग समय को तेज 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 इलेक्ट्रोलाइट्स नहीं होते हैं।
फोम बैटरियां तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के बजाय ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करती हैं। यह इलेक्ट्रोलाइट न केवल लिथियम आयनों का संचालन करता है, बल्कि अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को भी इन्सुलेट करता है।

बैटरी के ऋणात्मक चार्ज को धारण करने वाला एनोड फोमयुक्त तांबे से बना होता है और आवश्यक सक्रिय सामग्री से लेपित होता है।
फिर एनोड के चारों ओर एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट लगाया जाता है।
अंत में, बैटरी के अंदर रिक्त स्थान को भरने के लिए एक तथाकथित "सकारात्मक पेस्ट" का उपयोग किया जाता है।
एल्यूमिनियम ऑक्साइड बैटरी

इन बैटरियों में किसी भी बैटरी की तुलना में सबसे अधिक ऊर्जा घनत्व है। इसकी ऊर्जा मौजूदा लिथियम-आयन बैटरी से अधिक शक्तिशाली और हल्की है। कुछ लोगों का दावा है कि ये बैटरियां 2,000 किलोमीटर तक इलेक्ट्रिक वाहन प्रदान कर सकती हैं। यह अवधारणा क्या है? संदर्भ के लिए, टेस्ला की अधिकतम क्रूज़िंग रेंज लगभग 600 किलोमीटर है।
इन बैटरियों के साथ समस्या यह है कि इन्हें चार्ज नहीं किया जा सकता। वे एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड का उत्पादन करते हैं और पानी आधारित इलेक्ट्रोलाइट में एल्यूमीनियम और ऑक्सीजन की प्रतिक्रिया के माध्यम से ऊर्जा छोड़ते हैं। बैटरियों के उपयोग से एनोड के रूप में एल्यूमीनियम की खपत होती है।
सोडियम बैटरी
फिलहाल जापानी वैज्ञानिक ऐसी बैटरियां बनाने पर काम कर रहे हैं जिनमें लिथियम की जगह सोडियम का इस्तेमाल किया जाएगा।
यह विघटनकारी होगा, क्योंकि सोडियम बैटरियां सैद्धांतिक रूप से लिथियम बैटरियों की तुलना में 7 गुना अधिक कुशल हैं। एक और बड़ा फायदा यह है कि लिथियम की तुलना में सोडियम पृथ्वी के भंडार में छठा सबसे अमीर तत्व है, जो एक दुर्लभ तत्व है।