કાર્બન ઉત્સર્જન ઘટાડવાની તાકીદની જરૂરિયાત ગ્રીડ પર સૌર અને પવન ઉર્જાનો વિસ્તરણ અને વિદ્યુતીકરણ પરિવહન તરફ ઝડપથી આગળ વધી રહી છે. જો આ વલણો અપેક્ષા મુજબ વધશે, તો વિદ્યુત ઉર્જાનો સંગ્રહ કરવાની વધુ સારી પદ્ધતિઓની જરૂરિયાત વધુ તીવ્ર બનશે.
એસ્થર અને હેરોલ્ડ ઇ. એજર્ટન ખાતે મટિરિયલ સાયન્સ અને એન્જિનિયરિંગના સહયોગી પ્રોફેસર ડૉ એલ્સા ઓલિવેટ્ટી કહે છે કે, અમને ક્લાયમેટ ચેન્જના ખતરાનો સામનો કરવા માટે અમે જે વ્યૂહરચના મેળવી શકીએ તેની જરૂર છે. સ્પષ્ટપણે, ગ્રીડ-આધારિત માસ સ્ટોરેજ તકનીકોનો વિકાસ નિર્ણાયક છે. પરંતુ મોબાઇલ એપ્લિકેશન્સ માટે - ખાસ કરીને પરિવહન - આજના સમયને અનુકૂલિત કરવા પર વધુ સંશોધન કેન્દ્રિત છેલિથિયમ-આયન બેટરીસુરક્ષિત, નાનું અને તેમના કદ અને વજન માટે વધુ ઉર્જાનો સંગ્રહ કરવામાં સક્ષમ બનવા માટે.
પરંપરાગત લિથિયમ-આયન બેટરીઓ સતત સુધરતી રહે છે, પરંતુ તેમની મર્યાદાઓ રહે છે, આંશિક રીતે તેમની રચનાને કારણે.લિથિયમ-આયન બેટરીઓ બે ઇલેક્ટ્રોડ ધરાવે છે, એક સકારાત્મક અને એક નકારાત્મક, કાર્બનિક (કાર્બન-ધરાવતા) પ્રવાહીમાં સેન્ડવીચ કરવામાં આવે છે. જ્યારે બેટરી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ થાય છે, ત્યારે ચાર્જ કરેલ લિથિયમ કણો (અથવા આયનો) પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા એક ઇલેક્ટ્રોડમાંથી બીજામાં પસાર થાય છે.
આ ડિઝાઇનમાં એક સમસ્યા એ છે કે ચોક્કસ વોલ્ટેજ અને તાપમાને, પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અસ્થિર બની શકે છે અને આગ પકડી શકે છે. ઓલિવેટ્ટીના જૂથના સંશોધન વૈજ્ઞાનિક ડૉ કેવિન હુઆંગ Ph.D.'15 કહે છે કે બેટરી સામાન્ય રીતે સામાન્ય ઉપયોગ હેઠળ સલામત હોય છે, પરંતુ જોખમ રહે છે.
બીજી સમસ્યા એ છે કે લિથિયમ-આયન બેટરી કારમાં ઉપયોગ માટે યોગ્ય નથી. મોટા, ભારે બેટરી પેક જગ્યા લે છે, વાહનના એકંદર વજનમાં વધારો કરે છે અને ઇંધણ કાર્યક્ષમતા ઘટાડે છે. પરંતુ આજની લિથિયમ-આયન બેટરીને તેમની ઉર્જા ઘનતા જાળવી રાખીને નાની અને હળવી બનાવવી મુશ્કેલ સાબિત થઈ રહી છે - વજનના ગ્રામ દીઠ સંગ્રહિત ઊર્જાનો જથ્થો.
આ સમસ્યાઓને ઉકેલવા માટે, સંશોધકો લિથિયમ-આયન બેટરીના મુખ્ય લક્ષણોને બદલીને ઓલ-સોલિડ, અથવા સોલિડ-સ્ટેટ, વર્ઝન બનાવી રહ્યા છે. તેઓ મધ્યમાં પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટને પાતળા ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે બદલી રહ્યા છે જે વોલ્ટેજ અને તાપમાનની વિશાળ શ્રેણી પર સ્થિર છે. આ નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે, તેઓએ ઉચ્ચ-ક્ષમતા ધરાવતા હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ અને ઉચ્ચ-ક્ષમતા ધરાવતા લિથિયમ મેટલ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કર્યો જે સામાન્ય છિદ્રાળુ કાર્બન સ્તર કરતા ઘણા ઓછા જાડા હતા. આ ફેરફારો તેની ઉર્જા સંગ્રહ ક્ષમતા જાળવી રાખતા એકંદર એકંદર કોષને વધુ નાના બનાવવા માટે પરવાનગી આપે છે, જેના પરિણામે ઉર્જા ઘનતા વધારે છે.
આ સુવિધાઓ - ઉન્નત સલામતી અને વધુ ઊર્જા ઘનતા- સંભવતઃ સંભવિત સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીના બે સૌથી સામાન્ય રીતે કહેવાતા ફાયદા છે, તેમ છતાં આ બધી વસ્તુઓ આગળ દેખાતી અને આશા રાખવામાં આવે છે, અને તે પ્રાપ્ત કરી શકાય તેવું જરૂરી નથી. તેમ છતાં, આ સંભાવનાને કારણે ઘણા સંશોધકો એવી સામગ્રી અને ડિઝાઇન શોધવા માટે ઝઝૂમી રહ્યા છે જે આ વચનને પૂર્ણ કરશે.
પ્રયોગશાળાની બહાર વિચારવું
સંશોધકો લેબોરેટરીમાં આશાસ્પદ લાગે તેવા અસંખ્ય રસપ્રદ દૃશ્યો સાથે આવ્યા છે. પરંતુ ઓલિવેટ્ટી અને હુઆંગ માને છે કે આબોહવા પરિવર્તન પડકારની તાકીદને જોતાં, વધારાની વ્યવહારુ વિચારણાઓ મહત્વપૂર્ણ હોઈ શકે છે. ઓલિવેટ્ટી કહે છે કે અમે સંશોધકો પાસે સંભવિત સામગ્રી અને પ્રક્રિયાઓનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે પ્રયોગશાળામાં હંમેશા મેટ્રિક્સ હોય છે. ઉદાહરણોમાં ઊર્જા સંગ્રહ ક્ષમતા અને ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ દરો શામેલ હોઈ શકે છે. પરંતુ જો ઉદ્દેશ્ય અમલીકરણ છે, તો અમે મેટ્રિક્સ ઉમેરવાનું સૂચન કરીએ છીએ જે ખાસ કરીને ઝડપી સ્કેલિંગની સંભવિતતાને સંબોધિત કરે છે.
સામગ્રી અને ઉપલબ્ધતા
ઘન અકાર્બનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની દુનિયામાં, બે મુખ્ય પ્રકારની સામગ્રી છે - ઓક્સિજન ધરાવતા ઓક્સાઇડ્સ અને સલ્ફર ધરાવતા સલ્ફાઈડ્સ. ટેન્ટેલમ ટીન અને નિઓબિયમના ખાણકામની આડપેદાશ તરીકે ઉત્પન્ન થાય છે. ઐતિહાસિક માહિતી દર્શાવે છે કે ટીન અને નિઓબિયમના ખાણકામ દરમિયાન ટેન્ટેલમનું ઉત્પાદન જર્મેનિયમ કરતાં સંભવિત મહત્તમની નજીક છે. LLZO-આધારિત કોષોના સંભવિત સ્કેલિંગ માટે ટેન્ટેલમની ઉપલબ્ધતા તેથી વધુ ચિંતાનો વિષય છે.
જો કે, જમીનમાં તત્વની ઉપલબ્ધતા જાણવાથી તેને ઉત્પાદકોના હાથમાં લાવવા માટે જરૂરી પગલાં ઉકેલાતા નથી. તેથી સંશોધકોએ મુખ્ય ઘટકોની સપ્લાય ચેઇન - માઇનિંગ, પ્રોસેસિંગ, રિફાઇનિંગ, ટ્રાન્સપોર્ટિંગ, વગેરે અંગેના ફોલો-ઓન પ્રશ્નની તપાસ કરી. વિપુલ પ્રમાણમાં પુરવઠો છે એમ માનીને, શું આ સામગ્રીઓ પહોંચાડવા માટેની સપ્લાય ચેઇનને ઝડપથી વિસ્તરણ કરી શકાશે. બેટરીની માંગ?
નમૂનાના વિશ્લેષણમાં, તેઓએ જોયું કે 2030ના અંદાજિત ઇલેક્ટ્રિક વાહનોના કાફલા માટે બેટરીઓ પૂરી પાડવા માટે જર્મેનિયમ અને ટેન્ટેલમ માટે સપ્લાય ચેઇનને વર્ષે કેટલી વધવાની જરૂર પડશે. ઉદાહરણ તરીકે, ઇલેક્ટ્રિક વાહનોના કાફલાને, જે ઘણીવાર 2030 માટેના લક્ષ્ય તરીકે ટાંકવામાં આવે છે, તેને કુલ 100 ગીગાવોટ કલાકો ઊર્જા પૂરી પાડવા માટે પૂરતી બેટરી બનાવવાની જરૂર પડશે. આ ધ્યેય હાંસલ કરવા માટે, માત્ર LGPS બેટરીનો ઉપયોગ કરીને, જર્મેનિયમ સપ્લાય ચેઇનને દર વર્ષે 50% વધવાની જરૂર પડશે - એક સ્ટ્રેચ, કારણ કે ભૂતકાળમાં મહત્તમ વૃદ્ધિ દર લગભગ 7% રહ્યો છે. માત્ર LLZO કોષોનો ઉપયોગ કરીને, ટેન્ટેલમ માટે સપ્લાય ચેઇનને લગભગ 30% વધવાની જરૂર પડશે - વૃદ્ધિ દર લગભગ 10% ની ઐતિહાસિક મહત્તમથી ઉપર છે.
આ ઉદાહરણો વિવિધ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની સ્કેલિંગ-અપ સંભવિતતાનું મૂલ્યાંકન કરતી વખતે સામગ્રીની પ્રાપ્યતા અને પુરવઠા શૃંખલાને ધ્યાનમાં લેવાનું મહત્વ દર્શાવે છે, હુઆંગ કહે છે: જો જર્મેનિયમના કિસ્સામાં, સામગ્રીની માત્રા કોઈ સમસ્યા ન હોય તો પણ, તમામ માપન ભાવિ ઇલેક્ટ્રિક વાહનોના ઉત્પાદન સાથે મેળ ખાતી પુરવઠા શૃંખલાના પગલાં માટે વૃદ્ધિ દરની જરૂર પડી શકે છે જે વર્ચ્યુઅલ રીતે અભૂતપૂર્વ છે.
સામગ્રી અને પ્રક્રિયા
બેટરી ડિઝાઇનની માપનીય ક્ષમતાનું મૂલ્યાંકન કરતી વખતે ધ્યાનમાં લેવાનું બીજું પરિબળ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાની મુશ્કેલી અને તેની કિંમત પર પડતી અસર છે. સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીના ઉત્પાદનમાં અનિવાર્યપણે ઘણા પગલાં સામેલ છે, અને કોઈપણ પગલાની નિષ્ફળતા દરેક સફળતાપૂર્વક ઉત્પાદિત સેલની કિંમતમાં વધારો કરે છે.
ઉત્પાદનમાં મુશ્કેલી માટે પ્રોક્સી તરીકે, ઓલિવેટી, સેડર અને હુઆંગે તેમના ડેટાબેઝમાં પસંદ કરેલ સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી ડિઝાઇનની કુલ કિંમત પર નિષ્ફળતા દરની અસરની શોધ કરી. એક ઉદાહરણમાં, તેઓએ ઓક્સાઇડ LLZO પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું. LLZO ખૂબ જ બરડ છે અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળી સોલિડ સ્ટેટ બેટરીમાં ઉપયોગમાં લેવા માટે પૂરતી પાતળી મોટી શીટ્સ ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં સામેલ ઊંચા તાપમાને ફાટી જવાની અથવા તૂટવાની શક્યતા છે.
આવી નિષ્ફળતાઓના ખર્ચની અસરોને નિર્ધારિત કરવા માટે, તેઓએ LLZO કોષોને એસેમ્બલ કરવામાં સામેલ ચાર મુખ્ય પ્રક્રિયા પગલાંનું અનુકરણ કર્યું. દરેક પગલા પર, તેઓએ ધારેલા ઉપજના આધારે ખર્ચની ગણતરી કરી, એટલે કે નિષ્ફળતા વિના સફળતાપૂર્વક પ્રક્રિયા કરવામાં આવેલ કુલ કોષોનું પ્રમાણ. LLZO માટે, ઉપજ તેમણે અભ્યાસ કરેલ અન્ય ડિઝાઇન કરતાં ઘણી ઓછી હતી; તદુપરાંત, ઉપજમાં ઘટાડો થતાં, સેલ ઊર્જાની કિલોવોટ-કલાક (kWh) કિંમત નોંધપાત્ર રીતે વધી છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે અંતિમ કેથોડ હીટિંગ સ્ટેપમાં 5% વધુ કોષો ઉમેરવામાં આવ્યા હતા, ત્યારે ખર્ચમાં લગભગ $30/kWh નો વધારો થયો હતો - આવા કોષો માટે સામાન્ય રીતે સ્વીકૃત લક્ષ્ય ખર્ચ $100/kWh છે તે ધ્યાનમાં લેતા નગણ્ય ફેરફાર. સ્પષ્ટપણે, ઉત્પાદનની મુશ્કેલીઓ ડિઝાઇનને મોટા પાયે અપનાવવાની શક્યતા પર ઊંડી અસર કરી શકે છે.
પોસ્ટ સમય: સપ્ટેમ્બર-09-2022