बॅटरी तंत्रज्ञानाचे भविष्य: सिलिकॉन एनोड्स, ग्राफीन, ॲल्युमिनियम-ऑक्सिजन बॅटरी इ.

संपादकाची टीप: इलेक्ट्रिक तंत्रज्ञान हे हरित पृथ्वीचे भविष्य आहे आणि बॅटरी तंत्रज्ञान हा इलेक्ट्रिक तंत्रज्ञानाचा पाया आहे आणि इलेक्ट्रिक तंत्रज्ञानाच्या मोठ्या प्रमाणात विकासास प्रतिबंधित करण्याची गुरुकिल्ली आहे. सध्याचे मुख्य प्रवाहातील बॅटरी तंत्रज्ञान लिथियम-आयन बॅटरी आहे, ज्यात चांगली ऊर्जा घनता आणि उच्च कार्यक्षमता आहे. तथापि, उच्च किंमत आणि मर्यादित संसाधनांसह लिथियम हा दुर्मिळ घटक आहे. त्याच वेळी, नूतनीकरणक्षम ऊर्जा स्त्रोतांचा वापर वाढत असताना, लिथियम-आयन बॅटरीची ऊर्जा घनता यापुढे पुरेशी नाही. प्रतिसाद कसा द्यायचा? मयंक जैन यांनी भविष्यात वापरल्या जाणाऱ्या काही बॅटरी तंत्रज्ञानाचा आढावा घेतला आहे. मूळ लेख माध्यमावर शीर्षकासह प्रकाशित झाला: बॅटरी तंत्रज्ञानाचे भविष्य

पृथ्वी ऊर्जेने भरलेली आहे, आणि त्या ऊर्जेचा उपयोग करून घेण्यासाठी आम्ही सर्व काही करत आहोत. नूतनीकरणक्षम ऊर्जेच्या संक्रमणामध्ये आम्ही चांगले काम केले असले तरी, आम्ही ऊर्जा साठवण्यात फारशी प्रगती केलेली नाही.
सध्या, बॅटरी तंत्रज्ञानाचे सर्वोच्च मानक म्हणजे लिथियम-आयन बॅटरी. या बॅटरीमध्ये सर्वोत्तम ऊर्जा घनता, उच्च कार्यक्षमता (सुमारे 99%) आणि दीर्घ आयुष्य असल्याचे दिसते.
मग काय चूक आहे? आपण मिळवत असलेली नूतनीकरणक्षम उर्जा सतत वाढत असल्याने, लिथियम-आयन बॅटरीची ऊर्जा घनता यापुढे पुरेशी नाही.
आम्ही बॅचमध्ये बॅटरीचे उत्पादन करणे सुरू ठेवू शकतो, हे फार मोठे वाटत नाही, परंतु समस्या अशी आहे की लिथियम हा तुलनेने दुर्मिळ धातू आहे, त्यामुळे त्याची किंमत कमी नाही. बॅटरी उत्पादन खर्च कमी होत असला तरी ऊर्जा साठवणुकीची गरजही झपाट्याने वाढत आहे.
आम्ही अशा टप्प्यावर पोहोचलो आहोत जिथे एकदा लिथियम आयन बॅटरी तयार झाली की त्याचा ऊर्जा उद्योगावर मोठा परिणाम होईल.
जीवाश्म इंधनाची उच्च उर्जा घनता ही वस्तुस्थिती आहे आणि हा एक मोठा प्रभाव पाडणारा घटक आहे जो अक्षय ऊर्जेवरील संपूर्ण अवलंबित्वाच्या संक्रमणास अडथळा आणतो. आपल्या वजनापेक्षा जास्त ऊर्जा उत्सर्जित करणाऱ्या बॅटरीची आपल्याला गरज असते.
लिथियम-आयन बॅटरी कशा काम करतात
लिथियम बॅटरीची कार्यप्रणाली सामान्य AA किंवा AAA रासायनिक बॅटरीसारखीच असते. त्यांच्यामध्ये एनोड आणि कॅथोड टर्मिनल्स आणि त्यामध्ये इलेक्ट्रोलाइट असतात. सामान्य बॅटरीच्या विपरीत, लिथियम-आयन बॅटरीमधील डिस्चार्ज प्रतिक्रिया उलट करता येण्याजोगी असते, त्यामुळे बॅटरी वारंवार रिचार्ज केली जाऊ शकते.

कॅथोड (+ टर्मिनल) लिथियम लोह फॉस्फेटचे बनलेले आहे, एनोड (-टर्मिनल) ग्रेफाइटचे बनलेले आहे आणि ग्रेफाइट कार्बनचे बनलेले आहे. वीज हा फक्त इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह आहे. या बॅटरी एनोड आणि कॅथोडमध्ये लिथियम आयन हलवून वीज निर्माण करतात.
चार्ज केल्यावर, आयन एनोडकडे जातात आणि डिस्चार्ज झाल्यावर, आयन कॅथोडकडे धावतात.
आयनांच्या या हालचालीमुळे सर्किटमध्ये इलेक्ट्रॉनची हालचाल होते, म्हणून लिथियम आयनची हालचाल आणि इलेक्ट्रॉनची हालचाल यांचा संबंध आहे.
सिलिकॉन एनोड बॅटरी
BMW सारख्या अनेक मोठ्या कार कंपन्या सिलिकॉन एनोड बॅटरीच्या विकासासाठी गुंतवणूक करत आहेत. सामान्य लिथियम-आयन बॅटरींप्रमाणे, या बॅटरी लिथियम एनोड्स वापरतात, परंतु कार्बन-आधारित एनोड्सऐवजी ते सिलिकॉन वापरतात.
एनोड म्हणून, सिलिकॉन हे ग्रेफाइटपेक्षा चांगले आहे कारण त्याला लिथियम ठेवण्यासाठी 4 कार्बन अणूंची आवश्यकता असते आणि 1 सिलिकॉन अणूमध्ये 4 लिथियम आयन असू शकतात. हे एक मोठे अपग्रेड आहे … ग्रेफाइटपेक्षा सिलिकॉन 3 पट मजबूत बनवते.

असे असले तरी, लिथियमचा वापर अजूनही दुधारी तलवार आहे. ही सामग्री अद्याप महाग आहे, परंतु सिलिकॉन पेशींमध्ये उत्पादन सुविधा हस्तांतरित करणे देखील सोपे आहे. जर बॅटरी पूर्णपणे भिन्न असतील, तर कारखाना पूर्णपणे पुन्हा डिझाइन करावा लागेल, ज्यामुळे स्विचिंगचे आकर्षण किंचित कमी होईल.
सिलिकॉन ॲनोड्स शुद्ध सिलिकॉन तयार करण्यासाठी वाळूवर प्रक्रिया करून तयार केले जातात, परंतु संशोधकांना सध्या भेडसावणारी सर्वात मोठी समस्या म्हणजे सिलिकॉन ॲनोड वापरताना फुगतात. यामुळे बॅटरी खूप लवकर खराब होऊ शकते. एनोड्सचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करणे देखील अवघड आहे.

ग्राफीन बॅटरी
ग्राफीन हा कार्बन फ्लेक्सचा एक प्रकार आहे ज्यामध्ये पेन्सिल सारखीच सामग्री वापरली जाते, परंतु फ्लेक्सला ग्रेफाइट जोडण्यासाठी बराच वेळ लागतो. बऱ्याच वापराच्या प्रकरणांमध्ये उत्कृष्ट कामगिरीसाठी ग्राफीनची प्रशंसा केली जाते आणि बॅटरी ही त्यापैकी एक आहे.

काही कंपन्या लिथियम-आयन बॅटरीपेक्षा 33 पट वेगाने मिनिटांत पूर्ण चार्ज होणाऱ्या आणि डिस्चार्ज होणाऱ्या ग्राफीन बॅटरीवर काम करत आहेत. इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी हे खूप मोलाचे आहे.
फोम बॅटरी
सध्या, पारंपारिक बॅटरी द्विमितीय आहेत. ते एकतर लिथियम बॅटरीसारखे स्टॅक केलेले असतात किंवा ठराविक AA किंवा लिथियम-आयन बॅटरीसारखे गुंडाळलेले असतात.
फोम बॅटरी ही एक नवीन संकल्पना आहे ज्यामध्ये 3D स्पेसमध्ये इलेक्ट्रिक चार्जची हालचाल समाविष्ट आहे.
ही त्रिमितीय रचना चार्जिंग वेळेला गती देऊ शकते आणि उर्जेची घनता वाढवू शकते, हे बॅटरीचे अत्यंत महत्त्वाचे गुण आहेत. इतर बहुतेक बॅटरीच्या तुलनेत, फोम बॅटरीमध्ये कोणतेही हानिकारक द्रव इलेक्ट्रोलाइट्स नसतात.
फोम बॅटरी द्रव इलेक्ट्रोलाइट्सऐवजी घन इलेक्ट्रोलाइट्स वापरतात. हे इलेक्ट्रोलाइट केवळ लिथियम आयन चालवत नाही तर इतर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचे इन्सुलेशन देखील करते.

बॅटरीचा नकारात्मक चार्ज ठेवणारा एनोड फोम केलेल्या तांब्यापासून बनलेला असतो आणि आवश्यक सक्रिय सामग्रीसह लेपित असतो.
त्यानंतर एनोडभोवती घन इलेक्ट्रोलाइट लावला जातो.
शेवटी, बॅटरीमधील अंतर भरण्यासाठी तथाकथित "सकारात्मक पेस्ट" वापरली जाते.
ॲल्युमिनियम ऑक्साईड बॅटरी

या बॅटरीमध्ये कोणत्याही बॅटरीपेक्षा सर्वात मोठी ऊर्जा घनता असते. त्याची ऊर्जा सध्याच्या लिथियम-आयन बॅटरीपेक्षा अधिक शक्तिशाली आणि हलकी आहे. काही लोकांचा दावा आहे की या बॅटरी 2,000 किलोमीटर इलेक्ट्रिक वाहने देऊ शकतात. ही संकल्पना काय आहे? संदर्भासाठी, टेस्लाची कमाल क्रूझिंग श्रेणी सुमारे 600 किलोमीटर आहे.
या बॅटऱ्यांची समस्या अशी आहे की त्यांना चार्ज करता येत नाही. ते ॲल्युमिनियम हायड्रॉक्साइड तयार करतात आणि पाण्यावर आधारित इलेक्ट्रोलाइटमध्ये ॲल्युमिनियम आणि ऑक्सिजनच्या प्रतिक्रियेद्वारे ऊर्जा सोडतात. बॅटरीचा वापर ॲल्युमिनियमचा वापर एनोड म्हणून करतो.
सोडियम बॅटरी
सध्या, जपानी शास्त्रज्ञ लिथियमऐवजी सोडियम वापरणाऱ्या बॅटरी बनवण्यावर काम करत आहेत.
हे व्यत्यय आणणारे असेल, कारण सोडियम बॅटरी सैद्धांतिकदृष्ट्या लिथियम बॅटरीपेक्षा 7 पट अधिक कार्यक्षम असतात. आणखी एक मोठा फायदा म्हणजे सोडियम हा पृथ्वीच्या साठ्यातील सहाव्या क्रमांकाचा सर्वात श्रीमंत घटक लिथियमच्या तुलनेत आहे, जो दुर्मिळ घटक आहे.