सॉलिड-स्टेट बैटरियों पर स्विच करने में सबसे बड़ी चुनौतियाँ क्या हैं?

ईवी भविष्य की राह में अब तक एक ऊबड़-खाबड़ रास्ता रहा है, और दुनिया भर के वाहन निर्माता धीमी मांग वाली “ईवी विंटर” के लिए तैयार हैं। फिर भी कुछ सकारात्मक बातें भी खबरें बन रही हैं, जैसे यह तथ्य कि वास्तविक दुनिया की सॉलिड-स्टेट बैटरियां उत्पादन के करीब पहुंच रही हैं। उन बैटरियों और सामान्य ईवी सेटअपों के बीच क्या अंतर है? एक ईवी बैटरी सेल कैथोड पर लिथियम परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को विभाजित करके चार्ज करती है और परिणामी लिथियम आयनों को विभाजक के माध्यम से एनोड तक जाने की अनुमति देती है, जहां वे इलेक्ट्रॉनों के साथ फिर से जुड़ जाते हैं – जो विभाजक में प्रवेश करने में असमर्थ होते हैं, एनोड तक पहुंचने के लिए चार्जर सर्किट के माध्यम से एक अलग पथ का पालन करते हैं। मोटर के लिए उस बिजली का उपयोग करने से प्रक्रिया विपरीत दिशा में चलती है, जिसमें विभाजित इलेक्ट्रॉन लिथियम आयनों से जुड़ने से पहले वाहन की इलेक्ट्रिक मोटर को शक्ति देने के लिए एक बाहरी सर्किट में यात्रा करते हैं।

पारंपरिक ईवी सेल में, इलेक्ट्रोड और विभाजक के आसपास एक तरल या जेल इलेक्ट्रोलाइट सामग्री भी होती है, और यह वह सामग्री है जिसके माध्यम से आयन सेल में चलते हैं। एक ठोस-अवस्था बैटरी आसपास के तरल इलेक्ट्रोलाइट को एक ठोस पदार्थ में बदल देती है जो एक विभाजक के रूप में भी कार्य करता है। तो सेल तीन-परत केक के एक टुकड़े की तरह है जिसमें एनोड, इलेक्ट्रोलाइट और कैथोड शामिल हैं।

अत्यधिक ज्वलनशील तरल को ख़त्म करना, जिसे किसी दुर्घटना के दौरान रोकना मुश्किल हो सकता है, सॉलिड-स्टेट बैटरियों के कई लाभों में से एक है, लेकिन उनकी अपनी चुनौतियाँ हैं। इस स्तर पर, इंजीनियर अभी भी उत्पादन कीमतों को कम करने, बैटरी पैक तापमान को उचित रूप से प्रबंधित करने, आयनों का इष्टतम प्रवाह बनाए रखने और बैटरी पैक में शॉर्ट सर्किट पैदा करने से लिथियम के उपयोग को रोकने के तरीकों पर काम कर रहे हैं। आइए देखें कि वे कैसा कर रहे हैं।

सॉलिड-स्टेट बैटरियों को प्रभावित करने वाले सबसे बड़े मुद्दों में से एक वही है जो अधिक पारंपरिक ईवी बैटरियों के उत्पादन में बाधा उत्पन्न करता है – उन्हें बनाने के लिए आवश्यक कच्चे माल की लागत। लिथियम यहां विशेष रूप से समस्याग्रस्त है क्योंकि – लिथियम युक्त इलेक्ट्रोलाइट सामग्री को खत्म करने के बावजूद – ठोस-अवस्था बैटरियां अक्सर समग्र रूप से इसका अधिक उपयोग कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, ठोस-अवस्था बैटरियों में ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने का एक सामान्य तरीका ठोस लिथियम एनोड है। और पर्यावरण परामर्श फर्म मिनविरो के डॉ. जॉर्डन लिंडसे के अनुसार, जैसा कि मोटर ट्रेंड में बताया गया है, सॉलिड-स्टेट बैटरियों को सामान्य ईवी बैटरियों के लिए आवश्यक पांच से 10 गुना लिथियम की आवश्यकता हो सकती है। न ही सॉलिड-स्टेट बैटरियां आने पर वे तुरंत गायब हो जाएंगी।

नतीजा यह है कि सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए लिथियम की मांग को अन्य ईवी प्रणालियों में लिथियम की मांग में जोड़ना होगा, जिससे कीमतें और भी बढ़ जाएंगी। जबकि संघीय कर क्रेडिट के उन्मूलन के बाद से संयुक्त राज्य अमेरिका में ईवी की बिक्री में निश्चित रूप से कुछ कमी आई है, आरएमआई के अनुसार, 2025 में अभी भी इस देश में वार्षिक ईवी बिक्री की दूसरी सबसे बड़ी संख्या देखी गई। साथ ही, पिछले साल चीन और यूरोप में ईवी की बिक्री क्रमशः 30% और 17% बढ़ी। फिर यह तथ्य भी है कि ईवी के लिए लिथियम खनन ग्रह को नष्ट कर सकता है।

इन जैसे कारकों के परिणामस्वरूप, विशेषज्ञों का अनुमान है कि 2026 में लिथियम बढ़कर 28,000 डॉलर प्रति टन हो सकता है। इसकी तुलना चीन में इस गर्मी में हाजिर कीमतों से की जाती है – जहां दुनिया के अधिकांश लिथियम को संसाधित किया जाता है – लगभग 8,300 डॉलर। हालाँकि, नई प्रौद्योगिकियाँ क्षितिज पर हैं, जिनमें से कुछ लागत को 40% तक कम करने और निष्कर्षण को अधिक पर्यावरण के अनुकूल बनाने की क्षमता का दावा कर रही हैं। कंपनियां सोडियम-सल्फर सेटअप जैसे विभिन्न बैटरी रसायन शास्त्र पर काम कर रही हैं।

इसकी लागत से परे – वित्तीय और अन्य दोनों – लिथियम एक चिंता का विषय है क्योंकि यह डेंड्राइट बना सकता है। जब आप धातुओं और बिजली को मिलाते हैं तो यह एक काफी सामान्य समस्या है, क्योंकि विद्युत प्रवाह के कारण ईवी बैटरी के एनोड पर धातु के परमाणुओं का निर्माण शुरू हो जाता है। चार्जिंग के दौरान, बिल्डअप छोटी, नुकीली, कभी-कभी शाखाओं वाली संरचनाएं बनाती है जो कैथोड की ओर बढ़ती हैं। सच है, विभाजक दो इलेक्ट्रोडों के बीच स्थित है, और यह आंशिक रूप से दोनों को छूने और शॉर्ट सर्किट होने से रोकने के लिए है। लेकिन विभाजक सामग्री को विशेष रूप से इलेक्ट्रॉनों को फ़िल्टर करने और लिथियम को चार्जिंग/डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के हिस्से के रूप में पारित करने की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन किया गया है। लिथियम डेंड्राइट एक इलेक्ट्रोड से उस बिंदु तक बढ़ सकते हैं जहां वे विभाजक के माध्यम से छेद करते हैं और दूसरे के संपर्क में आते हैं – जिससे शॉर्ट सर्किट होता है।

यह मूलतः वैसा ही है जब आपके इंजन ब्लॉक हीटर में शॉर्ट सर्किट हो जाता है। बिजली कम से कम प्रतिरोध के पथ का अनुसरण करती है, और एक ईवी बैटरी में, इसका मतलब ईवी मोटर को चलाने के लिए लंबे सर्किट का पालन करने के बजाय, डेंड्राइट्स के साथ इलेक्ट्रोड के बीच बहने वाले इलेक्ट्रॉनों का हो सकता है। शॉर्ट सर्किट से उत्पन्न होने वाली गर्मी थर्मल अपवाह का कारण बन सकती है, तरल इलेक्ट्रोलाइट को प्रज्वलित कर सकती है और आग को बुझाने में मुश्किल हो सकती है।

न ही डेंड्राइट लिथियम सेटअप तक सीमित हैं: सोडियम-आयन सॉलिड-स्टेट बैटरी जैसे विकल्प लिथियम-मुक्त हैं, फिर भी बिजली बनाने की प्रक्रिया में प्राकृतिक प्रतिक्रिया के रूप में बनने का खतरा है। जैसा कि कहा गया है, वैज्ञानिक इस स्थिति पर प्रगति कर रहे हैं, अनुरूप उत्पादन विधियों के साथ जो सोडियम परमाणुओं का बेहतर, अधिक समान वितरण बनाने में मदद करते हैं, और यह वास्तव में संक्षारण का विरोध करते हुए डेंड्राइट वृद्धि को कम कर सकता है।

लिथियम की मांग के अलावा अन्य कारणों से सॉलिड-स्टेट बैटरियों के उत्पादन की लागत काफी अधिक हो सकती है। इलेक्ट्रॉनों और आयनों के लिए इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से आगे बढ़ना अपेक्षाकृत आसान होता है जब वे अनिवार्य रूप से तरल या जेल रूप में सामग्री से घिरे होते हैं, लेकिन इंजीनियरों को ठोस सामग्री के साथ कुछ बड़ी बाधाओं का सामना करना पड़ता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सॉलिड-स्टेट बैटरी – कैथोड-इलेक्ट्रोलाइट-एनोड – की तीन परतों की सतहें यथासंभव निकट और सुसंगत संपर्क में हैं, उन्हें अत्यधिक सख्त सहनशीलता के लिए बनाया जाना चाहिए। इसके अलावा, भले ही आप किसी तरह निर्बाध संपर्क सुनिश्चित कर सकें, उन परतों के बीच की सीमाएं उच्च प्रतिरोध के क्षेत्र बना सकती हैं जो लिथियम आयनों के लिए एक तरफ से दूसरी तरफ जाना कठिन बना देती हैं।

एक ओर, सॉलिड-स्टेट बैटरियों को असेंबल करना नियमित ईवी बैटरियों की तुलना में बहुत तेज हो सकता है, जिसे तरल इलेक्ट्रोलाइट की जटिल आवश्यकताओं के कारण पूरा होने में कई सप्ताह लग सकते हैं, और इससे लागत में बचत होनी चाहिए। दूसरी ओर, सॉलिड-स्टेट बैटरियों का उत्पादन अभी भी प्रगति पर है जो महंगा होने और सही होने में समय लेने वाली होने की संभावना है – और कुछ मामलों में आविष्कार भी हो सकता है।

उत्पादन में एक और बाधा सॉलिड-स्टेट बैटरियों में विभाजक के रूप में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों से आती है। वे अक्सर सिरेमिक से बने होते हैं, और – जैसा कि हमने सिरेमिक और स्टील बीयरिंग के बीच अंतर को देखते समय पाया – वह सामान अत्यधिक भंगुर हो सकता है और बैटरियों को इकट्ठा करते समय दरारें और टूटने से बचाने के लिए विशेष देखभाल की आवश्यकता होती है। निस्संदेह, वैज्ञानिक समाधानों पर कड़ी मेहनत कर रहे हैं, जिनमें सल्फाइड- और ऑक्साइड-आधारित सामग्रियों से बने विभाजकों से लेकर क्रैकिंग के जोखिम को कम करने के लिए इंजीनियर किए गए अनुरूप एडिटिव्स का उपयोग शामिल है।

सामान्यतया, बैटरियाँ एक निश्चित तापमान सीमा में सबसे अच्छा काम करती हैं। जब वे बहुत ठंडे होंगे, तो बिजली बनाने के लिए आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाएं प्रभावी होने के लिए बहुत धीमी हो जाएंगी। बहुत अधिक गर्मी होने पर बैटरी के घटक ख़राब होने लग सकते हैं। ऑटोमेकर्स ने दोनों स्थितियों को प्रबंधित करने में मदद करने के लिए पिछले कुछ वर्षों में तेजी से उन्नत थर्मल-प्रबंधन प्रणालियों की एक श्रृंखला विकसित की है, और हालांकि उस अनुभव को सॉलिड-स्टेट बैटरी के लिए तकनीक को ठीक करने में मदद करनी चाहिए, लेकिन सब कुछ आसानी से नहीं चलेगा।

उदाहरण के लिए, तरल इलेक्ट्रोलाइट को खत्म करने का एक नुकसान यह है कि सॉलिड-स्टेट बैटरियां इतनी जल्दी गर्मी से छुटकारा नहीं पा सकती हैं – और ईवी बैटरी को प्रभावित करने में ज्यादा गर्मी नहीं लगती है। ईवी के लिए तथाकथित पसंदीदा स्थान 60 और 80 डिग्री फ़ारेनहाइट के बीच है, संयुक्त राज्य अमेरिका में अक्सर तापमान सीमा का आनंद नहीं लिया जाता है। जब यह ठंडा हो जाता है, तो बिजली उत्पादन के लिए आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाएं धीमी हो जाती हैं, और गर्म होने पर बैटरी के घटक अधिक तेज़ी से ख़राब होने लगते हैं। थर्मल रनवे का भी जोखिम है – हालाँकि उन खतरों को इस “पूरी तरह से सुरक्षित” ईवी बैटरी इजेक्शन सिस्टम द्वारा कुछ हद तक कम किया जा सकता है।

जिस संपर्क समस्या की हमने ऊपर चर्चा की है, उसके कारण सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए थर्मल प्रबंधन भी विशेष रूप से महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। अधिकांश सामग्रियों की तरह, ठोस-अवस्था बैटरी में घटक तापमान बढ़ने और घटने पर फैल और सिकुड़ सकते हैं – लेकिन क्योंकि बैटरी सामग्री एक-दूसरे से भिन्न होती हैं, इसलिए परिवर्तन एक ही समय में या एक ही सीमा तक नहीं होते हैं। बदले में, इलेक्ट्रोड और विभाजक की सतहों को उचित संपर्क में रखना अतिरिक्त कठिन हो जाता है।