कार्बन उत्सर्जन कमी करण्याची तातडीची गरज म्हणजे विद्युतीकरण वाहतूक आणि ग्रीडवर सौर आणि पवन ऊर्जेचा विस्तार करण्याच्या दिशेने वेगाने हालचाल करणे. जर हे ट्रेंड अपेक्षेप्रमाणे वाढले, तर विद्युत ऊर्जा साठवण्याच्या चांगल्या पद्धतींची गरज तीव्र होईल.
एस्थर आणि हॅरोल्ड ई. एडगर्टन येथील साहित्य विज्ञान आणि अभियांत्रिकीच्या सहयोगी प्राध्यापक डॉ एल्सा ऑलिवेट्टी म्हणतात, हवामान बदलाच्या धोक्याचा सामना करण्यासाठी आम्हाला मिळू शकणाऱ्या सर्व धोरणांची आवश्यकता आहे. स्पष्टपणे, ग्रिड-आधारित मास स्टोरेज तंत्रज्ञानाचा विकास महत्त्वपूर्ण आहे. परंतु मोबाईल ऍप्लिकेशन्ससाठी - विशेषत: वाहतूक - आजच्या परिस्थितीशी जुळवून घेण्यावर बरेच संशोधन केंद्रित आहेलिथियम-आयन बॅटरीसुरक्षित, लहान आणि त्यांच्या आकार आणि वजनासाठी अधिक ऊर्जा साठवण्यास सक्षम असणे.
पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटऱ्यांमध्ये सुधारणा होत राहते, परंतु त्यांच्या मर्यादा कायम राहिल्या, अंशतः त्यांच्या संरचनेमुळे.लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये दोन इलेक्ट्रोड असतात, एक सकारात्मक आणि एक नकारात्मक, सेंद्रिय (कार्बनयुक्त) द्रवामध्ये सँडविच केलेले. जेव्हा बॅटरी चार्ज केली जाते आणि डिस्चार्ज केली जाते तेव्हा चार्ज केलेले लिथियम कण (किंवा आयन) द्रव इलेक्ट्रोलाइटद्वारे एका इलेक्ट्रोडमधून दुसऱ्या इलेक्ट्रोडमध्ये जातात.
या डिझाइनमध्ये एक समस्या अशी आहे की विशिष्ट व्होल्टेज आणि तापमानांवर, द्रव इलेक्ट्रोलाइट अस्थिर होऊ शकतो आणि आग पकडू शकतो. ऑलिवेट्टीच्या गटातील संशोधन शास्त्रज्ञ डॉ केविन हुआंग पीएच.डी.'15 म्हणतात की, बॅटरी सामान्यतः सामान्य वापरात सुरक्षित असतात, परंतु धोका कायम असतो.
दुसरी समस्या अशी आहे की लिथियम-आयन बॅटरी कारमध्ये वापरण्यासाठी योग्य नाहीत. मोठे, जड बॅटरी पॅक जागा घेतात, वाहनाचे एकूण वजन वाढवतात आणि इंधन कार्यक्षमता कमी करतात. परंतु आजच्या लिथियम-आयन बॅटऱ्या लहान आणि हलक्या बनवताना त्यांची ऊर्जा घनता - प्रति ग्रॅम वजनामध्ये साठवलेली ऊर्जा राखणे कठीण होत आहे.
या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी, संशोधक लिथियम-आयन बॅटरीची मुख्य वैशिष्ट्ये बदलून सर्व-सॉलिड, किंवा सॉलिड-स्टेट, आवृत्ती तयार करत आहेत. ते मध्यभागी असलेल्या द्रव इलेक्ट्रोलाइटला पातळ घन इलेक्ट्रोलाइटसह बदलत आहेत जे व्होल्टेज आणि तापमानाच्या विस्तृत श्रेणीवर स्थिर आहे. या घन इलेक्ट्रोलाइटसह, त्यांनी उच्च-क्षमता पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड आणि उच्च-क्षमतेचे लिथियम धातू नकारात्मक इलेक्ट्रोड वापरले जे नेहमीच्या सच्छिद्र कार्बन थरापेक्षा खूपच कमी जाड होते. हे बदल ऊर्जा साठवण क्षमता टिकवून ठेवताना एकंदरीत लहान सेलसाठी परवानगी देतात, परिणामी ऊर्जेची घनता जास्त असते.
ही वैशिष्ट्ये - वर्धित सुरक्षा आणि अधिक ऊर्जा घनता- संभाव्य सॉलिड-स्टेट बॅटरियांचे बहुधा दोन सामान्यपणे सांगितलेले फायदे आहेत, तरीही या सर्व गोष्टी अग्रेषित आणि अपेक्षित आहेत, आणि ते साध्य करता येण्यासारखे नाही. असे असले तरी, या शक्यतेमुळे अनेक संशोधक हे वचन पूर्ण करतील अशी सामग्री आणि डिझाइन शोधण्यासाठी झुंजत आहेत.
प्रयोगशाळेच्या पलीकडे विचार करणे
संशोधकांनी प्रयोगशाळेत आशादायक दिसणाऱ्या अनेक वेधक परिस्थिती समोर आणल्या आहेत. परंतु ऑलिवेट्टी आणि हुआंग यांचा असा विश्वास आहे की हवामान बदलाच्या आव्हानाची निकड लक्षात घेता, अतिरिक्त व्यावहारिक विचार करणे महत्त्वाचे असू शकते. ऑलिवेट्टी म्हणतात, संभाव्य साहित्य आणि प्रक्रियांचे मूल्यांकन करण्यासाठी आमच्या संशोधकांकडे प्रयोगशाळेत नेहमी मेट्रिक्स असतात. उदाहरणांमध्ये ऊर्जा साठवण क्षमता आणि चार्ज/डिस्चार्ज दर समाविष्ट असू शकतात. परंतु उद्दिष्ट अंमलबजावणी असल्यास, आम्ही मेट्रिक्स जोडण्याचा सल्ला देतो जे विशेषत: जलद स्केलिंगच्या संभाव्यतेला संबोधित करतात.
साहित्य आणि उपलब्धता
घन अजैविक इलेक्ट्रोलाइट्सच्या जगात, दोन मुख्य प्रकारचे पदार्थ आहेत - ऑक्सिजन असलेले ऑक्साइड आणि सल्फर असलेले सल्फाइड. टिन आणि निओबियमच्या खाणकामातून टँटलमची निर्मिती केली जाते. ऐतिहासिक डेटा दर्शवितो की टिन आणि निओबियमच्या उत्खननादरम्यान टँटलमचे उत्पादन जर्मेनियमच्या संभाव्य कमाल उत्पादनाच्या जवळ आहे. LLZO-आधारित पेशींच्या संभाव्य स्केलिंगसाठी टँटलमची उपलब्धता ही एक मोठी चिंता आहे.
तथापि, जमिनीतील घटकाची उपलब्धता जाणून घेतल्याने ते उत्पादकांच्या हातात येण्यासाठी आवश्यक असलेल्या पायऱ्या सोडवत नाहीत. म्हणून संशोधकांनी मुख्य घटकांच्या पुरवठा साखळीविषयी एक फॉलो-ऑन प्रश्न तपासला - खाणकाम, प्रक्रिया, शुद्धीकरण, वाहतूक इ. मुबलक पुरवठा आहे असे गृहीत धरून, या सामग्रीच्या वितरणासाठी पुरवठा शृंखला वाढत्या घटकांची पूर्तता करण्यासाठी पुरेशी वेगाने विस्तारली जाऊ शकते का? बॅटरीची मागणी?
नमुना विश्लेषणामध्ये, त्यांनी 2030 च्या प्रक्षेपित इलेक्ट्रिक वाहनांच्या ताफ्यासाठी बॅटरी प्रदान करण्यासाठी जर्मेनियम आणि टँटलमची पुरवठा साखळी वर्षानुवर्षे किती वाढणे आवश्यक आहे हे पाहिले. उदाहरण म्हणून, इलेक्ट्रिक वाहनांच्या ताफ्याला, 2030 चे लक्ष्य म्हणून अनेकदा उद्धृत केले जाते, एकूण 100 गिगावॅट तास ऊर्जा प्रदान करण्यासाठी पुरेशी बॅटरी तयार करणे आवश्यक आहे. हे उद्दिष्ट साध्य करण्यासाठी, फक्त LGPS बॅटरी वापरून, जर्मेनियम पुरवठा साखळीला वर्षानुवर्षे 50% वाढ करावी लागेल - एक विस्तार, कारण भूतकाळात कमाल वाढीचा दर सुमारे 7% होता. फक्त LLZO सेल वापरून, टँटलमसाठी पुरवठा साखळी सुमारे 30% वाढणे आवश्यक आहे - हा वाढीचा दर ऐतिहासिक कमाल सुमारे 10% च्या वर आहे.
ही उदाहरणे भिन्न घन इलेक्ट्रोलाइट्सच्या स्केलिंग-अप संभाव्यतेचे मूल्यांकन करताना सामग्रीची उपलब्धता आणि पुरवठा साखळी विचारात घेण्याचे महत्त्व दर्शवतात, हुआंग म्हणतात: जरी सामग्रीचे प्रमाण ही समस्या नसली तरीही, जर्मेनियमच्या बाबतीत, सर्व स्केलिंग भविष्यातील इलेक्ट्रिक वाहनांच्या उत्पादनाशी जुळण्यासाठी पुरवठा साखळीतील पायऱ्यांसाठी वाढीचा दर आवश्यक असू शकतो जो अक्षरशः अभूतपूर्व आहे.
साहित्य आणि प्रक्रिया
बॅटरी डिझाइनच्या स्केलेबिलिटी संभाव्यतेचे मूल्यांकन करताना विचारात घेण्यासाठी आणखी एक घटक म्हणजे उत्पादन प्रक्रियेतील अडचण आणि त्याचा खर्चावर होणारा परिणाम. सॉलिड-स्टेट बॅटरीच्या निर्मितीमध्ये अपरिहार्यपणे अनेक टप्पे गुंतलेले आहेत आणि कोणत्याही पायरीच्या अपयशामुळे प्रत्येक यशस्वीरित्या उत्पादित सेलची किंमत वाढते.
मॅन्युफॅक्चरिंग अडचणीसाठी प्रॉक्सी म्हणून, ऑलिवेट्टी, सेडर आणि हुआंग यांनी त्यांच्या डेटाबेसमधील निवडलेल्या सॉलिड-स्टेट बॅटरी डिझाईन्सच्या एकूण खर्चावर अयशस्वी दराचा प्रभाव शोधला. एका उदाहरणात, त्यांनी ऑक्साईड LLZO वर लक्ष केंद्रित केले. LLZO अतिशय ठिसूळ आहे आणि उच्च कार्यक्षमतेच्या सॉलिड स्टेट बॅटरीमध्ये वापरता येण्याइतपत मोठ्या शीट्स पातळ आहेत आणि उत्पादन प्रक्रियेत गुंतलेल्या उच्च तापमानात तडा जाण्याची किंवा तुटण्याची शक्यता असते.
अशा अयशस्वी होण्याच्या खर्चाचे परिणाम निश्चित करण्यासाठी, त्यांनी LLZO पेशी एकत्र करण्यात गुंतलेल्या चार प्रमुख प्रक्रिया चरणांचे अनुकरण केले. प्रत्येक पायरीवर, त्यांनी गृहीत उत्पन्नावर आधारित खर्चाची गणना केली, म्हणजे अयशस्वी न होता यशस्वीरित्या प्रक्रिया केलेल्या एकूण पेशींचे प्रमाण. LLZO साठी, त्यांनी अभ्यास केलेल्या इतर डिझाइनच्या तुलनेत उत्पन्न खूपच कमी होते; शिवाय, जसजसे उत्पन्न कमी होत गेले, तसतसे सेल ऊर्जेची प्रति किलोवॅट-तास (kWh) किंमत लक्षणीयरीत्या वाढली. उदाहरणार्थ, जेव्हा अंतिम कॅथोड हीटिंग स्टेपमध्ये 5% अधिक सेल जोडले गेले, तेव्हा किंमत सुमारे $30/kWh ने वाढली - अशा सेलसाठी सामान्यतः स्वीकृत लक्ष्य खर्च $100/kWh आहे हे लक्षात घेता एक नगण्य बदल. स्पष्टपणे, उत्पादनातील अडचणी मोठ्या प्रमाणात डिझाइनचा अवलंब करण्याच्या व्यवहार्यतेवर गंभीर परिणाम करू शकतात.
पोस्ट वेळ: सप्टेंबर-०९-२०२२