लिथियम-आयन क्या है?

सरल सही? सिवाय इसके कि इन बैटरियों के बारे में कुछ भी वास्तव में सरल नहीं है जब आप विवरणों को खोदना शुरू करते हैं, जो मैं करने जा रहा हूं क्योंकि मैं अपनी मदद नहीं कर सकता।

हालाँकि लिथियम क्यों? (यहीं वह जगह है जहां मुझे गुस्सा आता है)

 

तत्व संख्या 3. हाइड्रोजन, हीलियम, लिथियम। यही आदेश है. अति सूक्ष्म परमाणु क्योंकि इसमें केवल 3 प्रोटॉन होते हैं।

और यहाँ लिथियम के बारे में बात है - यह वास्तव में अपने बाहरी इलेक्ट्रॉन से छुटकारा पाना चाहता है। जैसे सख्त इच्छा हो. उस तरह से यह एक तरह से अस्थिर है। क्या आप उन वीडियो के बारे में जानते हैं जिनमें लोग सोडियम को पानी में फेंकते हैं और वह फ़िज़ होकर आग पकड़ लेता है? लिथियम ऐसा करता है लेकिन उससे भी अधिक। मैंने 2011 (या 2012?) में एक सुरक्षा प्रदर्शन के दौरान एक बार किसी को पानी की बाल्टी में लिथियम धातु का एक टुकड़ा गिराते हुए देखा था और यह वास्तव में डरावना था कि इसने कितनी तेजी से प्रतिक्रिया की। बाल्टी पिघल गयी.

रुको नहीं, बाल्टी पिघली नहीं। पानी उबल गया और लिथियम ने सतह पर आग पकड़ ली। बाल्टी ठीक थी. मेरी याददाश्त बकवास है.

वैसे भी मुद्दा यह है: शुद्ध लिथियम धातु खतरनाक है। यही कारण है कि आधुनिक लिथियम आयन बैटरियां शुद्ध लिथियम धातु - का उपयोग नहीं करती हैं, वे लिथियम आयन का उपयोग करती हैं। लिथियम पहले से ही ऑक्सीकृत है। ली+ रूप. बहुत अधिक स्थिर.

आपको मिलने वाला वोल्टेज लगभग 3.6-3.7V प्रति सेल है जो अच्छा है। क्षारीय (1.5V) या NiMH (1.2V) से बेहतर। इसका मतलब है कि आपको अपने लक्ष्य वोल्टेज तक पहुंचने के लिए कम कोशिकाओं की आवश्यकता है। इसीलिए आपके लैपटॉप की बैटरी में 15 के बजाय 6 सेल हैं।

इसके अलावा - और मुझे सबसे पहले यह उल्लेख करना चाहिए था कि - लिथियम हल्का है। तीसरा सबसे हल्का तत्व. तो आपको अत्यधिक वजन के बिना उच्च ऊर्जा घनत्व मिलता है। इसीलिए ईवी लिथियम आयन का उपयोग करते हैं न कि लेड एसिड का। समान ऊर्जा वाली एक लेड{8}}एसिड बैटरी का वजन वस्तुतः 5-6 गुना अधिक होगा। आपके टेस्ला को बैटरी बदलने के लिए फोर्कलिफ्ट की आवश्यकता होगी।

 

 

वास्तविक घटक (इसे तकनीकी रूप से कस लें)

 

एनोड (नकारात्मक पक्ष):

आमतौर पर ग्रेफाइट. हाँ, वही चीज़ जो पेंसिलों में होती है, सिवाय इसके कि वे अधिक शुद्ध होती हैं और अलग ढंग से संसाधित होती हैं।

ग्रेफाइट में यह स्तरित क्रिस्टल संरचना होती है - परमाणु स्तर पर ताश के पत्तों की कल्पना करें। परतें कमजोर वैन डेर वाल्स बलों (हाई स्कूल रसायन विज्ञान आपको परेशान करने के लिए वापस आ रही है) द्वारा एक साथ रखी गई हैं। लिथियम आयन इन परतों के बीच फिसल सकते हैं और बस... वहीं लटक सकते हैं। तकनीकी शब्द "इंटरकलेशन" है, लेकिन मैं इसे एक बहुमंजिला गैरेज में कारों को पार्क करने जैसा समझता हूं।

सैद्धांतिक अधिकतम क्षमता 372 मिलीएम्प{1}}घंटे प्रति ग्राम है। यदि विनिर्माण ख़राब न हो तो वास्तविक दुनिया में आपको 340-360 एमएएच/जी मिलता है। मैंने कुछ चीनी निर्माताओं के सेल देखे हैं जो मुश्किल से 310 एमएएच/जी तक पहुंच सकते हैं। नाम नहीं बताने जा रहा हूँ, लेकिन यदि आप "बीवाईडी" में अक्षरों को पुनर्व्यवस्थित करते हैं तो आपको मिलता है... ठीक है, मैं नाम बता रहा हूँ। उनकी प्रारंभिक कोशिकाएँ खुरदरी थीं। हालाँकि वे 2018 की तरह काफी बेहतर हो गए हैं।

अब हर कोई सिलिकॉन एनोड के बारे में बात करता रहता है क्योंकि सिलिकॉन सैद्धांतिक रूप से ग्रेफाइट की तुलना में 10 गुना अधिक लिथियम धारण कर सकता है। आश्चर्यजनक लगता है ना? 3700+ एमएएच/जी सैद्धांतिक क्षमता।

समस्या - और यह वह समस्या है जो "लगभग हल हो गई है" जब से मैंने इस उद्योग में शुरुआत की है - यह है कि जब आप इसे लिथियेट करते हैं तो सिलिकॉन लगभग 300% तक फैलता है। कण वस्तुतः टूटकर अलग हो जाते हैं। एक कंक्रीट ब्लॉक के अंदर एक गुब्बारा फुलाने की कल्पना करें। कंक्रीट झुकता नहीं है, बस टूट जाता है।

टेस्ला अब ग्रेफाइट के साथ मिश्रित कुछ सिलिकॉन का उपयोग करता है। शायद 5-10% सिलिकॉन? मैंने सुना है कि यह 8% था लेकिन मैं गलत हो सकता हूं। मुद्दा यह है कि यह एक छोटी राशि है. हर स्टार्टअप के सीरीज़ ए पिच डेक के दावों के बावजूद शुद्ध सिलिकॉन एनोड अभी भी तैयार नहीं हैं।

कैथोड (सकारात्मक पक्ष):

ओह लड़का। यहीं पर मामला गड़बड़ हो जाता है क्योंकि यहां 6 अलग-अलग कैथोड रसायन हैं और हर किसी की राय है कि कौन सा सबसे अच्छा है और वे सभी गलत हैं क्योंकि यह आपके आवेदन पर निर्भर करता है।

1991 में सोनी का मूल लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड - LiCoO₂ था। हम इसे संक्षेप में "एलसीओ" कहते हैं। इसे बनाने वाले के आधार पर ऊर्जा घनत्व काफी अच्छा - 150-200 mAh/g है। लेकिन तापीय स्थिरता भयानक है. यदि आप इसे अधिक चार्ज करते हैं या इसे बहुत गर्म करते हैं, तो क्रिस्टल संरचना ऑक्सीजन छोड़ती है। ऑक्सीजन + कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट + गर्मी=बुरा दिन। हालाँकि, आपका फ़ोन शायद LCO का उपयोग करता है क्योंकि फ़ोन को 10 साल तक चलने की ज़रूरत नहीं है और आप उन्हें 10C पर तेज़ी से चार्ज नहीं कर सकते।

फिर एनएमसी - निकल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड है। अब अधिकांश ईवी इसी का उपयोग करते हैं। निकेल, मैंगनीज और कोबाल्ट का अनुपात बदलता रहता है। 1:1:1 (समान भागों) के रूप में प्रारंभ किया गया। फिर निर्माता 5:3:2 पर चले गये। फिर 6:2:2. अब हम कुछ उच्च-अंत कोशिकाओं में 8:1:1 या यहां तक ​​कि 9:0.5:0.5 पर हैं।

बदलाव क्यों? कोबाल्ट महंगा है. जैसे सचमुच महँगा हो। इसके अलावा अधिकांश कोबाल्ट डीआरसी (डेमोक्रेटिक रिपब्लिक ऑफ कांगो) से आता है और वहां खनन की स्थिति जटिल है। बाल श्रम, असुरक्षित परिस्थितियाँ, सारी गड़बड़ी। इसलिए हर कोई कम कोबाल्ट का उपयोग करने का प्रयास कर रहा है।

अधिक निकेल=अधिक क्षमता लेकिन कम तापीय स्थिरता। अधिक मैंगनीज=सस्ता और अधिक स्थिर लेकिन कम क्षमता वाला। अधिक कोबाल्ट=अधिक स्थिर और बेहतर चक्र जीवन लेकिन $$$ और नैतिक मुद्दे।

यह हमेशा ट्रेडऑफ़ होता है। हमेशा। इस बारे में उत्पाद प्रबंधकों के साथ मेरी बहुत बहस हुई है। वे उच्च ऊर्जा घनत्व और लंबा चक्र जीवन और कम लागत और अच्छी सुरक्षा चाहते हैं। आप शायद दो चुन सकते हैं. शायद।

इसमें एनसीए - निकल कोबाल्ट एल्युमीनियम भी है। टेस्ला ने वर्षों तक अपने लंबी दूरी के पैक में इसका उपयोग किया। पैनासोनिक ने इन्हें नेवादा गीगाफैक्ट्री में बनाया। मैंने एक बार एक अलग बैटरी फ़ैक्टरी का दौरा किया था - उस फ़ैक्टरी का नहीं, बल्कि एक प्रतिस्पर्धी की फैसिलिटी का - और केवल ड्राई रूम ही पागलपन भरा था। एयर हैंडलिंग सिस्टम की लागत संभवतः $50+ मिलियन थी। हर चीज -40 डिग्री ओस बिंदु से नीचे होनी चाहिए या इलेक्ट्रोलाइट नमक नमी को अवशोषित करता है और हाइड्रोफ्लोरिक एसिड बनाता है। एचएफ किसी भी चीज को खा जाएगा। कांच, धातु, हड्डी. गंदा सामान.

ओह और एलएफपी - लिथियम आयरन फॉस्फेट। यह वापसी कर रहा है. यह अधिक सुरक्षित है, प्रति kWh सस्ता है और लंबे समय तक चलता है। मैंने एलएफपी कोशिकाओं के बारे में सुना है जो 80% क्षमता तक 5000+ चक्र कर रही हैं। शायद 6000 भी। नकारात्मक पक्ष कम ऊर्जा घनत्व - है, जैसे एनएमसी के लिए 120-140 एमएएच/जी बनाम 180-200।

टेस्ला ने 2021 के आसपास अपने स्टैंडर्ड रेंज मॉडल 3s में एलएफपी लगाना शुरू किया। चीनी बाजार ने उन्हें सबसे पहले प्राप्त किया। समझ में आता है - CATL सबसे बड़ा LFP निर्माता है और वे चीन में हैं।

कुछ लोग ठंड के मौसम में एलएफपी रेंज के नुकसान की शिकायत करते हैं। यह एनएमसी से भी बदतर है. लेकिन सेल सस्ते हैं और लंबे समय तक चलते हैं, इसलिए कई अनुप्रयोगों के लिए यह छूट के लायक है। मैं सिटी कार के लिए एलएफपी पैक लूंगा। लंबी दूरी के राजमार्ग क्रूजर के लिए शायद नहीं।

इलेक्ट्रोलाइट:

यह बीच का तरल पदार्थ है. यह आयनों का संचालन करता है लेकिन इलेक्ट्रॉनों का नहीं, जो महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि यह इलेक्ट्रॉनों का संचालन करता है तो आपके पास शॉर्ट सर्किट होगा।

आमतौर पर यह कार्बनिक सॉल्वैंट्स में घुला हुआ लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट - LiPF₆ - होता है। सॉल्वैंट्स आम तौर पर एथिलीन कार्बोनेट (ईसी) और डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी) या डायथाइल कार्बोनेट (डीईसी) का मिश्रण होते हैं।

यहां एक अजीब विवरण है: ईसी कमरे के तापमान पर ठोस होता है। गलनांक 36 डिग्री के आसपास होता है। तो शुद्ध ईसी सर्दियों में जम जाएगा। इसीलिए आप इसे डीएमसी या डीईसी के साथ मिलाते हैं जो -70 डिग्री या कुछ भी तक तरल होते हैं। मिश्रण उचित परिस्थितियों में तरल रहता है।

इसके अलावा कार्बनिक कार्बोनेट भी ज्वलनशील होते हैं। गैसोलीन - स्तर का ज्वलनशील नहीं है लेकिन निश्चित रूप से ज्वलनशील है। मैंने एक बार एक कील प्रवेश परीक्षण देखा था जहां हमने जानबूझकर एक पूरी तरह से चार्ज सेल के माध्यम से एक कील ठोक दी थी। इसने पहले गैस को बाहर निकाला - पॉपिंग ध्वनि - फिर आग की लपटें वेंट छेद से बाहर निकलीं। 2 मीटर की ऊँचाई तक पहुँच गया। थर्मल कैमरा फुटेज के आधार पर पूरी सेल शायद 800 डिग्री पर पहुंच गई।

वह अग्नि शमन और हर चीज़ के साथ एक नियंत्रित परीक्षण था। हालाँकि अभी भी डरावना है।

LiPF₆ नमक अत्यंत हीड्रोस्कोपिक है। पानी से प्यार है. यदि यह गीला हो जाता है तो यह एचएफ में हाइड्रोलाइज हो जाता है। इसीलिए बैटरी का निर्माण अत्यंत शुष्क कमरों में होता है। मैं -40 डिग्री या उससे कम के ओस बिंदु की बात कर रहा हूं। निरार्द्रीकरण प्रणाली आमतौर पर सेल फैक्ट्री में सबसे बड़े ऊर्जा उपभोक्ताओं में से एक है।

मैंने एक बार एक सुविधा केंद्र का दौरा किया जहां शुष्क कमरा इतना सूखा था कि सांस लेने में तकलीफ होती थी। कुछ ही मिनटों में आपकी नाक सूख जाएगी. वहां काम करने वाले सभी लोगों को लगातार सेलाइन स्प्रे का इस्तेमाल करना पड़ता था. कार्य वातावरण सुखद नहीं है.

विभाजक:

भूला हुआ घटक. यह सिर्फ एक पतली बहुलक झिल्ली है लेकिन यह महत्वपूर्ण है।

आमतौर पर पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) या पॉलीइथाइलीन (पीई)। कभी-कभी पीपी-पीई-पीपी के साथ एक त्रिपरत। मोटाई आमतौर पर 20-25 माइक्रोन होती है। वह पतला है. मानव बाल से भी पतला (70-100 माइक्रोन)।

इसमें 100 नैनोमीटर व्यास वाले - जैसे सूक्ष्म छिद्र होते हैं जो आयनों को अंदर जाने देते हैं लेकिन इलेक्ट्रॉनों को रोकते हैं। साथ ही यह एनोड और कैथोड को भौतिक रूप से अलग रखता है। यदि वे=शॉर्ट सर्किट=को छूते हैं तो बुरी चीजें तेजी से घटित होती हैं।

सैमसंग गैलेक्सी नोट 7 में लगी आग याद है? 2016. यह आंशिक रूप से विभाजक क्षति के कारण था। सैमसंग ने बैटरी को बहुत आक्रामक तरीके से डिज़ाइन किया है। बहुत पतला, बहुत कसकर पैक किया गया, विस्तार के लिए कोई सहनशीलता नहीं। कुछ कोशिकाओं के एक कोने में विभाजक बहुत जोर से दबा हुआ था। कमजोर बिंदु विकसित हुआ. आख़िरकार एक पिनहोल मिल गया। आंतरिक लघु. बेलगाम उष्म वायु प्रवाह। आग।

उन्होंने 25 लाख फोन वापस मंगाए. हवाई जहाज़ से प्रतिबंधित. सैमसंग की लागत अरबों. यह सब कागज से भी पतले प्लास्टिक के टुकड़े के कारण है।

आक्रामक बैटरी डिज़ाइन के बारे में मेरी राय है। प्रतिस्पर्धा को मात देने के लिए निर्माता पतले और हल्के उत्पादों पर जोर देते रहते हैं। लेकिन एक सीमा है. भौतिकी को आपके उत्पाद लॉन्च शेड्यूल की परवाह नहीं है।

 

यह वास्तव में कैसे काम करता है (वह हिस्सा जिसे हर कोई छोड़ देता है)

 

चार्जिंग:

आप अपना फ़ोन प्लग इन करें. चार्जर इलेक्ट्रॉनों को एनोड में धकेलता है और उन्हें कैथोड से खींचता है। इससे कैथोड लिथियम आयन छोड़ता है। आयन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड तक यात्रा करते हैं। वे ग्रेफाइट संरचना में अंतर्केंद्रित हो जाते हैं।

इसे एक स्प्रिंग को संपीड़ित करने जैसा समझें। लिथियम आयन स्वाभाविक रूप से एनोड में नहीं रहना चाहते - वे कैथोड में अधिक स्थिर होते हैं। लेकिन आप वोल्टेज लगाकर उन्हें वहां मजबूर कर रहे हैं। संग्रहित ऊर्जा.

निर्वहन:

आप अपने फोन को अनप्लग करें और उपयोग करें। वसंत जारी है. लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से वापस कैथोड में प्रवाहित होते हैं। आपके फ़ोन के सर्किट में एनोड से कैथोड तक इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होते हैं। वह इलेक्ट्रॉन प्रवाह आपके उपकरण को शक्ति प्रदान करता है।

वोल्टेज रसायन विज्ञान और आवेश की स्थिति पर निर्भर करता है। एनएमसी या एनसीए के लिए:

पूरी तरह चार्ज: ~4.2V

नाममात्र: ~3.7V

पूरी तरह से डिस्चार्ज: ~3.0V

3.0V से नीचे न जाएं अन्यथा आप लिथियम धातु चढ़ाना शुरू कर देंगे जो खतरनाक है। 4.2V से ऊपर न जाएं अन्यथा आप थर्मल रनवे का जोखिम उठाएंगे। इसीलिए बैटरी प्रबंधन प्रणालियाँ (बीएमएस) मौजूद हैं। वे वोल्टेज और तापमान और करंट की निगरानी करते हैं और अगर कुछ भी गलत दिखता है तो उसे बंद कर देते हैं।

अच्छा बीएमएस डिज़ाइन कठिन है। सच में सख्त। आपको तेज़ प्रतिक्रिया समय, सटीक सेंसर, अनावश्यक सुरक्षा जांच की आवश्यकता है। एक सस्ता बीएमएस एक अच्छी बैटरी को आग के खतरे में बदलने का सबसे तेज़ तरीकों में से एक है।

 

 

समस्याएँ (अरे यार, बहुत सारी समस्याएँ हैं)

 

समस्या 1: पतन अपरिहार्य है

प्रत्येक चार्ज {{0}डिस्चार्ज चक्र बैटरी को नुकसान पहुंचाता है। अपरिहार्य. ऊष्मप्रवैगिकी।

एसईआई परत - ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ - नामक एक चीज़ होती है जो एनोड सतह पर बनती है। यह वास्तव में बैटरी के काम करने के लिए आवश्यक है। लेकिन यह समय के साथ बढ़ता रहता है और सक्रिय लिथियम का उपभोग करता है। 500 चक्रों के बाद आपके पास 90% क्षमता शेष रह सकती है। 1000 के बाद शायद 80%। 2000 के बाद... निर्भर करता है.

मेरे पास 2015 का एक मैकबुक है जो अभी भी 78% बैटरी स्वास्थ्य दिखाता है। हालाँकि, मैं इसे छोटा मानता हूँ - शायद ही कभी इसे 40% से नीचे जाने देता है, जब भी संभव हो इसे प्लग इन रखें, इसे कभी भी गर्म कार में चार्ज न करें। मेरी पत्नी के पास 2018 मैकबुक है जो 62% स्वस्थ है क्योंकि वह इसे कड़ी मेहनत से चलाती है। प्रतिदिन पूर्ण साइकिल चलाती है, इसे रात भर चार्ज करने के लिए छोड़ देती है, गर्म होने पर इसे अपनी गोद में रखती है। आप बैटरी के साथ कैसा व्यवहार करते हैं, यह बहुत मायने रखता है।

कैथोड भी ख़राब हो जाता है। उच्च -निकेल एनएमसी विशेष रूप से खराब है। 4.3V से ऊपर कैथोड सतह इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करना शुरू कर देती है। संक्रमण धातु आयन (निकल, मैंगनीज, कोबाल्ट) घुल सकते हैं और एनोड में स्थानांतरित हो सकते हैं जहां वे एसईआई को गड़बड़ कर देते हैं। कैथोड डेंसिफिकेशन नामक एक चीज़ भी होती है जहां क्रिस्टल संरचना धीरे-धीरे संकुचित होती है और सरंध्रता खो देती है।

वास्तव में इसे रोका नहीं जा सकता. यह सिर्फ रसायन शास्त्र है. एन्ट्रॉपी हमेशा जीतती है।

समस्या 2: तापमान सब कुछ नष्ट कर देता है

0 डिग्री से नीचे इलेक्ट्रोलाइट ठंडे शहद की तरह चिपचिपा हो जाता है। आयन परिवहन धीमा हो जाता है. आप शायद -10 डिग्री पर 20{7}}30% क्षमता खो देते हैं। इससे भी बदतर, यदि आप ठंडी बैटरी को तेजी से चार्ज करने का प्रयास करते हैं तो आप इसे आपस में जोड़ने के बजाय एनोड पर धातु लिथियम प्लेट लगा देंगे। इससे डेंड्राइट बनते हैं - लिथियम धातु की सुई जैसी संरचनाएं जो बढ़ सकती हैं और अंततः विभाजक को छेद सकती हैं। आंतरिक लघु. आग।

40-45 डिग्री से ऊपर, सभी क्षरण प्रतिक्रियाएं तेज हो जाती हैं। सामान्य नियम: प्रत्येक 10 डिग्री की वृद्धि प्रतिक्रिया दर को दोगुना कर देती है। तो 45 डिग्री पर एक बैटरी 25 डिग्री की तुलना में लगभग 4 गुना तेजी से ख़राब होती है।

मैं टेक्सास में रहता हूँ। गर्मियों में तापमान 100 डिग्री फ़ारेनहाइट (38 डिग्री +) तक पहुँच जाता है। मैंने ऐसी ईवी बैटरियां देखी हैं जिनकी क्षमता सिर्फ गर्मी के कारण 3 वर्षों में 15% कम हो गई है। इस बीच मिनेसोटा में ईवी गर्मियों में बमुश्किल ख़राब होते हैं - लेकिन सर्दियों में ठंड के कारण उनकी रेंज कम हो जाती है। जीत नहीं सकते.

आदर्श ऑपरेटिंग तापमान 20-25 डिग्री जैसा है। इसे वास्तविक दुनिया में बनाए रखने के लिए शुभकामनाएँ।

समस्या 3: तेज़ चार्जिंग स्वाभाविक रूप से समस्याग्रस्त है

हर कोई गैस स्टेशन की तरह 10{3}}मिनट की ईवी चार्जिंग चाहता है। लेकिन बैटरी के माध्यम से भारी शक्ति को धकेलने से गर्मी उत्पन्न होती है। I²R हानि - वर्तमान वर्ग समय प्रतिरोध। प्रतिरोध छोटा है लेकिन शून्य नहीं है। 250kW चार्जिंग पर आप काफी गर्मी पैदा कर रहे हैं।

साथ ही तेज़ चार्जिंग इलेक्ट्रोड सामग्री पर यांत्रिक रूप से दबाव डालती है। आयनों को संरचना के माध्यम से तेजी से आगे बढ़ने के लिए बाध्य करता है। समय के साथ दरार और कण फ्रैक्चर का कारण बन सकता है।

टेस्ला सुपरचार्जर्स (V3) 250kW पीक कर सकते हैं। लेकिन वे तेजी से कम हो जाते हैं। शायद 5 मिनट के लिए 250 किलोवाट, फिर 150 किलोवाट, फिर 100 किलोवाट, फिर 50 किलोवाट। वह बीएमएस है जो कोशिकाओं की रक्षा करता है।

पोर्शे और हुंडई के नए 800V सिस्टम 350kW कर सकते हैं। लेकिन केवल संक्षेप में. फिजिक्स तो फिजिक्स है.

तेज़ {{0}चार्ज {{1}अनुकूलित इलेक्ट्रोड डिज़ाइन पर शोध चल रहा है। पतले इलेक्ट्रोड, छोटे कण, बेहतर कोटिंग। इससे मदद मिलती है. लेकिन आप थर्मोडायनामिक्स को धोखा नहीं दे सकते।

समस्या 4: आग

लिथियम-आयन बैटरियां अक्सर आग नहीं पकड़ती हैं। गैसोलीन कारों की तुलना में बहुत कम। लेकिन जब वे ऐसा करते हैं तो यह नाटकीय होता है।

बेलगाम उष्म वायु प्रवाह। एक बार जब कोई कोशिका एक महत्वपूर्ण तापमान पर पहुंचती है तो रसायन शास्त्र के अनुसार भिन्न-भिन्न हो सकता है, शायद 150{3}}200 डिग्री - ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाएं शुरू हो जाती हैं। एसईआई विघटित हो जाता है। विभाजक पिघल जाता है. इलेक्ट्रोलाइट उबलता है. कैथोड ऑक्सीजन छोड़ता है। प्रत्येक प्रतिक्रिया से गर्मी पैदा होती है जो अधिक प्रतिक्रियाओं को ट्रिगर करती है। सकारात्मक प्रतिक्रिया पाश.

आप इसे सामान्य आग की तरह पानी से नहीं बुझा सकते. मेरा मतलब है कि आप इसे ठंडा करने के लिए इस पर पानी डाल सकते हैं लेकिन कोशिका आंतरिक रूप से गर्मी पैदा करती रहती है। अग्निशमन विभाग ईवी आग से नफरत करते हैं। बाहर निकालने में घंटों लग जाते हैं। बाद में पुनः सक्रिय हो सकता है.

हालाँकि आधुनिक कोशिकाओं में सुरक्षा सुविधाएँ होती हैं। शटडाउन विभाजक जो गर्म होने पर बंद हो जाते हैं। दबाव वेंट. वर्तमान व्यवधान. थर्मल फ़्यूज़. साथ ही बीएमएस हर चीज पर नजर रखता है।

हालाँकि कभी-कभी ऐसा होता है. हर बार ख़बरें बनती हैं, भले ही सांख्यिकीय रूप से ईवी गैस कारों की तुलना में अधिक सुरक्षित हैं। पीआर समस्या.

समस्या 5: कोबाल्ट नैतिकता

70% कोबाल्ट डीआरसी से आता है। इनमें से अधिकांश खराब कामकाजी परिस्थितियों वाली कारीगर खानों से हैं। बाल श्रम की रिपोर्ट. पर्यावरणीय क्षति। यह एक गड़बड़ है.

हर कोई कम कोबाल्ट का उपयोग करने का प्रयास कर रहा है। उच्च -निकल एनएमसी बहुत कम उपयोग करता है। एलएफपी शून्य का उपयोग करता है। लेकिन कोबाल्ट कैथोड संरचना को स्थिर करता है। इसके बिना आपको बेहतर थर्मल प्रबंधन और सख्त वोल्टेज सीमा की आवश्यकता है।

कोबाल्ट की कीमतें भी बेतहाशा हैं। 2016 में $30k/टन से कम। 2018 में $90k+ तक बढ़ गया। 2020 में गिरकर $25k हो गया। अब लगभग $35k/टन। जब आपके कच्चे माल की लागत में 3 गुना उतार-चढ़ाव हो तो आप उत्पादन की योजना कैसे बनाते हैं?

समस्या 6: आपूर्ति श्रृंखला अराजकता

2021-2022 में लिथियम की कीमतें बिल्कुल चरमरा गईं। 2020 में $6k/टन। 2022 के अंत में $80k/टन पर पहुंच गया। 2024 में गिरकर $12k/टन हो गया। अब 2025 में लगभग $15k/टन।

अधिकांश लिथियम ऑस्ट्रेलिया (हार्ड रॉक खनन) या दक्षिण अमेरिका (चिली/अर्जेंटीना/बोलीविया में नमक के मैदानों से नमकीन पानी का निष्कर्षण - "लिथियम त्रिकोण") से आता है। लेकिन ज्यादातर प्रोसेसिंग चीन में होती है. वैश्विक लिथियम शोधन क्षमता का 75% की तरह।

चीन वैश्विक सेल उत्पादन के - 75% बैटरी निर्माण को भी नियंत्रित करता है। और 90% एनोड सामग्री (ग्रेफाइट प्रसंस्करण)।

यही कारण है कि अमेरिका और यूरोप घरेलू आपूर्ति श्रृंखला बनाने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। लेकिन यह धीमा है. एक गीगाफैक्ट्री बनाने में वर्षों लग जाते हैं। अपस्ट्रीम आपूर्ति श्रृंखला बनाने में अधिक समय लगता है।

बैटरी-ग्रेड लिथियम का अतिशुद्ध होना आवश्यक है। 0.01% से कम अशुद्धियाँ। शोधन का वह स्तर सस्ता या तेज़ नहीं है।

 

हम लिथियम आयन के साथ क्यों फंसे हुए हैं (अभी के लिए)

 

उन सभी चीज़ों के बावजूद जिनके बारे में मैंने अभी-अभी शिकायत की है, व्यावसायिक स्तर पर लिथियम आयन अभी भी सबसे अच्छा विकल्प है।

ऊर्जा घनत्व: कोशिका स्तर पर 250-300 Wh/kg। कूलिंग और संरचना और बीएमएस जोड़ने के बाद पैक स्तर पर शायद 160-180 Wh/kg। यह बिना किसी बेतुके वजन के 300+ मील ईवी के लिए पर्याप्त है।

तुलना करना:

सीसा -अम्ल: 30-50 Wh/किग्रा (जितना भारी)

NiMH: 60-120 Wh/kg (प्रियस ने क्या उपयोग किया)

NiCd: 40-60 Wh/किग्रा (विषाक्त भी, अधिकतर चरणबद्ध तरीके से समाप्त)

विनिर्माण परिपक्व है. दर्जनों आपूर्तिकर्ता। एकाधिक गीगाफैक्ट्रीज़। स्थापित आपूर्ति शृंखलाएँ। पैमाने का अर्थशास्त्र।

टेस्ला की नेवादा गीगाफैक्ट्री का लक्ष्य 35 GWh/वर्ष है। यह 500k+ ईवी के लिए पर्याप्त है। चीन में CATL और भी अधिक - करता है मुझे लगता है कि 200+ GWh/वर्ष? शायद 300? मुझे जांच करनी होगी.

सभी बुनियादी ढांचे में लिथियम आयन भी शामिल है। चार्जिंग मानक (CCS, NACS, CHAdeMO)। बीएमएस एल्गोरिदम. सुरक्षा नियम। पुनर्चक्रण प्रक्रियाएँ. हर चीज़ को दोबारा डिज़ाइन किए बिना एक अलग रसायन शास्त्र में बदलाव नहीं किया जा सकता।

 

 

आख़िरकार इसकी जगह क्या ले सकता है

 

ठोस-अवस्था वाली बैटरियां:तरल इलेक्ट्रोलाइट को ठोस सिरेमिक या कांच या सल्फाइड सामग्री से बदलें। लाभ: कोई रिसाव नहीं, कम आग का जोखिम, शायद उच्च ऊर्जा घनत्व के लिए लिथियम धातु एनोड का उपयोग करें।

क्वांटमस्केप, सॉलिड पावर, टोयोटा, सैमसंग - हर कोई इस पर काम कर रहा है। क्वांटमस्केप प्रयोगशाला कोशिकाओं में 800+ चक्रों के साथ 800 Wh/kg का दावा करता है। अगर सच है तो प्रभावशाली.

समस्याएँ: ठोस इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच इंटरफ़ेस प्रतिरोध। जैसे-जैसे सामग्रियों का विस्तार/संकुचन होता है, हजारों चक्रों में अच्छा संपर्क बनाए रखना कठिन होता है। अधिकांश ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स भंगुर होते हैं - डेन्ड्राइट उनमें दरार डाल सकते हैं। बड़े पैमाने पर विनिर्माण पूरी तरह से अप्रमाणित है।

मुझे संदेह है कि हम इसे 2030 से पहले मुख्यधारा की कारों में देख पाएंगे। शायद 2028 में, अगर किसी को कोई सफलता मिले। लेकिन शायद बाद में. मैंने पिछले 10 वर्षों से सुना है "ठोस राज्य 5 वर्ष दूर है"।

लिथियम-सल्फर:2600 Wh/kg का सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व। सल्फर सस्ता और प्रचुर मात्रा में होता है।

समस्या: पॉलीसल्फाइड शटल प्रभाव। मध्यवर्ती उत्पाद इलेक्ट्रोलाइट में घुल जाते हैं जिससे क्षमता तेजी से खत्म हो जाती है। 50 चक्रों के बाद बैटरी खराब हो जाती है।

इसे 20+ वर्षों से "लगभग हल" कर दिया गया है। अभी भी वहां नहीं है.

सोडियम-आयन:वास्तव में अब हो रहा है. CATL ने 2023 में उत्पादन शुरू किया। BYD इस पर काम कर रहा है।

सोडियम हर जगह (समुद्री जल) है। लिथियम से कहीं सस्ता. समान विनिर्माण उपकरण का उपयोग कर सकते हैं।

लेकिन ऊर्जा घनत्व कम है: लिथियम-आयन के लिए 150 - 160 Wh/kg बनाम 250-300।

स्थिर भंडारण और बजट ईवी के लिए उपयुक्त है। प्रीमियम उत्पादों में जल्द ही लिथियम आयन को प्रतिस्थापित नहीं किया जाएगा।

लिथियम धातु एनोड:ग्रेफाइट के स्थान पर लिथियम धातु का प्रयोग करें। तरल इलेक्ट्रोलाइट रखें. कोशिका स्तर पर 400-500 Wh/kg तक पहुँच सकता है।

डेंड्राइट की समस्या बनी रहती है. हर किसी के पास अपना स्वयं का समाधान - कोटिंग्स, इलेक्ट्रोलाइट एडिटिव्स आदि हैं। हम देखेंगे कि पहले कौन सफल होता है।

 

ओह औरलिथियम पॉलिमर बैटरी- को संभवतः उनका उल्लेख करना चाहिए। वे तरल के बजाय जेल या ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हैं। पतले, हल्के, अधिक लचीले आकार। आपके वायरलेस ईयरबड में संभवतः एक है। तरल से थोड़ा अधिक सुरक्षित लेकिन ऊर्जा घनत्व लगभग समान है। यह अभी भी लिथियम आयन तकनीक है, बस इसे अलग तरीके से पैक किया गया है। विपणन विभाग उन्हें "लीपो" कहना पसंद करते हैं जैसे कि यह कोई क्रांतिकारी चीज़ हो। यह।