બેટરી ટેકનોલોજીમાં ક્રાંતિ: સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી કેવી રીતે બદલશે ઉર્જા સંગ્રહનું ભવિષ્ય?

આજના આધુનિક યુગમાં સ્માર્ટફોનથી લઈને ઇલેક્ટ્રિક વાહનો સુધીની દરેક વસ્તુ ઉર્જા સંગ્રહ પર નિર્ભર છે. અત્યારે આપણે જે લિથિયમ-આયન બેટરીઓ વાપરીએ છીએ તેમાં એક મોટું જોખમ રહેલું છે: તેમાં વપરાતું પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (electrolyte). ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ બેટરીના બે છેડા વચ્ચે વીજભાર વહન કરતું માધ્યમ છે. જો આ પ્રવાહી લીક થાય અથવા બેટરી વધુ પડતી ગરમ થાય, તો તેમાં આગ લાગવાની શક્યતા રહે છે. આ સમસ્યાના કાયમી ઉકેલ તરીકે 'સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી' (Solid-state battery) ઉભરી રહી છે. સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી (SSB) એ એક એવી વિદ્યુત બેટરી છે જે ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે આયનોનું વહન કરવા માટે પ્રવાહી અથવા જેલને બદલે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરે છે.

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીનો સૌથી મોટો ફાયદો તેની ઉર્જા ઘનતા (energy density) છે. ઉર્જા ઘનતા એટલે કે ચોક્કસ કદ કે વજનમાં કેટલી ઉર્જા સંગ્રહી શકાય છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, આ બેટરીઓ સામાન્ય લિથિયમ-આયન બેટરી કરતા ઘણી વધારે ઉર્જા સંગ્રહિત કરી શકે છે. વિકિપીડિયા અને સમાચાર અહેવાલો મુજબ, આ ટેકનોલોજી માત્ર સુરક્ષા જ નહીં, પરંતુ બેટરીના આયુષ્ય અને ચાર્જિંગની ઝડપમાં પણ મોટો સુધારો લાવી શકે તેમ છે. જોકે, ૨૦૨૬ સુધીમાં પણ આ ટેકનોલોજી હજુ વ્યાપારી ધોરણે મોટા પાયે ઉત્પાદન સુધી પહોંચી નથી, પરંતુ સંશોધનો ખૂબ જ ઝડપથી આગળ વધી રહ્યા છે.

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીનો ઇતિહાસ અને વિકાસ

ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટની શોધ કંઈ નવી નથી. ૧૮૩૧ અને ૧૮૩૪ ની વચ્ચે, માઈકલ ફેરાડેએ સિલ્વર સલ્ફાઈડ અને લેડ(II) ફ્લોરાઈડ જેવા ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની શોધ કરી હતી. તેમણે નોંધ્યું હતું કે આ પદાર્થો ગરમ થયા પછી અવાહકમાંથી વાહક બની જાય છે. તેના એક સદી કરતા પણ વધુ સમય પછી, ૧૯૬૩માં માઈકલ ઓ'કીફે આ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો ઉપયોગ કરીને વ્યવહારુ સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી બનાવવાની દિશામાં પ્રથમ પગલું ભર્યું હતું. ૧૯૬૦ના દાયકાના અંતમાં બીટા-એલ્યુમિના (beta-alumina) ની શોધે આ ક્ષેત્રમાં નવી ઉત્તેજના જગાવી હતી, કારણ કે તે લિથિયમ અને સોડિયમ જેવા આયનોનું ઝડપથી વહન કરી શકતું હતું.

૧૯૯૦ના દાયકામાં ઓક રિજ નેશનલ લેબોરેટરી દ્વારા લિથિયમ-ફોસ્ફરસ ઓક્સિનિટ્રાઈડ (LiPON) વિકસાવવામાં આવ્યું, જેનો ઉપયોગ પાતળી-ફિલ્મ (thin-film) વાળી બેટરીઓમાં થયો. ૨૦૧૧માં કામાયા અને તેમની ટીમે LGPS (Li10GeP2S12) નામના ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું પ્રદર્શન કર્યું, જેની વાહકતા પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ જેટલી જ હતી. આ શોધ પછી ટોયોટા, ફોક્સવેગન અને સેમસંગ જેવી મોટી કંપનીઓએ આ ટેકનોલોજીમાં અબજો ડોલરનું રોકાણ કરવાનું શરૂ કર્યું. ૨૦૧૭ સુધીમાં, ટોયોટા પાસે સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી સંબંધિત સૌથી વધુ પેટન્ટ્સ હતી.

આર્કિટેક્ચર: તે કેવી રીતે કામ કરે છે?

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીની રચના સમજવા માટે આપણે તેને ત્રણ મુખ્ય ભાગોમાં વહેંચી શકીએ: એનોડ (anode), કેથોડ (cathode) અને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ. એનોડ એ બેટરીનો નેગેટિવ છેડો છે અને કેથોડ એ પોઝિટિવ છેડો છે. પરંપરાગત બેટરીમાં આ બંને વચ્ચે એક સેપરેટર (separator) હોય છે અને આખી સિસ્ટમ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ડૂબેલી હોય છે. સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીમાં, આ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પોતે જ સેપરેટર તરીકે કામ કરે છે. તે માત્ર લિથિયમ આયનોને જ પસાર થવા દે છે અને ઇલેક્ટ્રોનને રોકે છે, જે શોર્ટ સર્કિટ થવાનું જોખમ ઘટાડે છે.

આ ઘન માધ્યમ હોવાને કારણે, બેટરીમાં લિથિયમ મેટલનો ઉપયોગ એનોડ તરીકે કરી શકાય છે. લિથિયમ મેટલ એનોડ ઉર્જા ઘનતામાં ધરખમ વધારો કરે છે. પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં લિથિયમ મેટલ વાપરવું જોખમી હોય છે કારણ કે તેમાં 'ડેન્ડ્રાઈટ્સ' (dendrites) એટલે કે સોય જેવા નાના સ્ફટિકો બને છે જે બેટરીને ફાડી શકે છે. ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તેની યાંત્રિક મજબૂતી (mechanical strength) ને કારણે આ ડેન્ડ્રાઈટ્સને વધતા અટકાવે છે, જેનાથી બેટરી વધુ સુરક્ષિત બને છે.

વપરાતા પદાર્થો અને તેમની વિશેષતાઓ

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીમાં વિવિધ પ્રકારના પદાર્થોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. મુખ્યત્વે ચાર પ્રકારના ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ (SSEs) પર સંશોધન થઈ રહ્યું છે: ઓક્સાઈડ્સ, સલ્ફાઈડ્સ, ફોસ્ફેટ્સ અને ઘન પોલીમર્સ. ઓક્સાઈડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં LLZO (લિથિયમ-લેન્થેનમ-ઝિર્કોનિયમ ઓક્સાઈડ) ખૂબ જાણીતું છે કારણ કે તે લિથિયમ મેટલ સામે વધુ સ્થિર છે. સલ્ફાઈડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની આયનિક વાહકતા ખૂબ ઊંચી હોય છે, પરંતુ તે ભેજ પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે.

કેથોડ માટે લિથિયમ-સલ્ફર (Li-S) એક આશાસ્પદ વિકલ્પ છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે તેની ક્ષમતા ૧,૬૭૦ mAh/g છે, જે અત્યારે વપરાતા લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઈડ (LiCoO2) કરતા દસ ગણી વધારે છે. સલ્ફર પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી જાય છે, તેથી તેનો ઉપયોગ અત્યાર સુધી મુશ્કેલ હતો, પરંતુ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં તે સ્થિર રહી શકે છે. આ ઉપરાંત, સિલિકોન (μSi) એનોડ પર પણ પ્રયોગો થયા છે. ડેરેન એચ.એસ. ટેન અને તેમની ટીમે બનાવેલી બેટરીએ ૫ mA cm−2 ની ઊંચી કરંટ ડેન્સિટી પર ૫૦૦ સાયકલ પછી પણ ૮૦% ક્ષમતા જાળવી રાખી હતી.

સુરક્ષા અને કાર્યક્ષમતાના આંકડા

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીની સુરક્ષા તેની સૌથી મોટી વિશેષતા છે. પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ જ્વલનશીલ હોય છે, જ્યારે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બિન-જ્વલનશીલ હોય છે. તે -૨૦ °C થી લઈને ૮૦ °C જેવા વિશાળ તાપમાન ગાળામાં કામ કરી શકે છે. આ ઉપરાંત, તેની વોલ્ટેજ રેન્જ પણ વધારે હોય છે, જેનો અર્થ છે કે તે વધુ શક્તિશાળી ઉપકરણોને પાવર આપી શકે છે. લિથિયમ-સેરામિક બેટરીઓમાં સિંગલ વોલ કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (SWCNTs) ઉમેરવાથી તેની વાહકતા અને મજબૂતીમાં વધુ વધારો થાય છે.

ક્લોરાઈડ આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પણ હવે ચર્ચામાં છે. ઝોઉ અને તેમની ટીમે વિકસાવેલા લિથિયમ મિક્સ્ડ-મેટલ ક્લોરાઈડ (Li2InxSc0.666-xCl4) ની આયનિક વાહકતા ૨.૦ mS cm−1 જેટલી ઊંચી જોવા મળી છે. આ ક્લોરાઈડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ઓક્સાઈડ કરતા વધુ લવચીક (ductile) હોય છે, જે બેટરીના ઉત્પાદન પ્રક્રિયાને સરળ બનાવી શકે છે. પેરોવસ્કાઈટ (Perovskite) પ્રકારના પદાર્થો પણ તેમની ઉત્તમ આયનિક વાહકતા અને ચાર્જ સ્ટોરેજ ક્ષમતાને કારણે ભવિષ્યની બેટરીઓ માટે મજબૂત દાવેદાર છે.

પડકારો અને ભવિષ્યની દિશા

આટલા બધા ફાયદા હોવા છતાં, સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી હજુ તમારા ફોન કે કારમાં કેમ નથી? તેનું મુખ્ય કારણ ઉત્પાદન ખર્ચ અને સ્કેલેબિલિટી (scalability) છે. ઘન પદાર્થોને એકબીજા સાથે સંપૂર્ણ રીતે સંપર્કમાં રાખવા મુશ્કેલ છે, જેને 'ઇન્ટરફેસ રેઝિસ્ટન્સ' કહેવામાં આવે છે. જો આ સંપર્ક તૂટી જાય, તો બેટરી કામ કરવાનું બંધ કરી દે છે. વળી, આ પદાર્થોનું મોટા પાયે ઉત્પાદન કરવું અત્યારે ખૂબ ખર્ચાળ છે.

કંપનીઓની જાહેરાત મુજબ, પ્રોલોજિયમ (ProLogium) અને ક્વોન્ટમસ્કેપ (QuantumScape) જેવી કંપનીઓ ૨૦૨૦ના દાયકાના મધ્ય સુધીમાં ગીગાવોટ-કલાક (GWh) સ્તરે ઉત્પાદન શરૂ કરવાની યોજના ધરાવે છે. ટોયોટા અને પેનાસોનિક ૨૦૨૫ સુધીમાં આ ટેકનોલોજીને બજારમાં લાવવા માંગે છે, જ્યારે હોન્ડા અને હ્યુન્ડાઈ ૨૦૩૦ સુધીનો લક્ષ્યાંક ધરાવે છે. ભારત જેવા દેશો માટે, જ્યાં ઇલેક્ટ્રિક વાહનોનો સ્વીકાર વધી રહ્યો છે, આ ટેકનોલોજી ગેમ-ચેન્જર સાબિત થઈ શકે છે કારણ કે તે વાહનોની રેન્જ વધારશે અને આગ લાગવાની ઘટનાઓ નાબૂદ કરશે. હજુ ઘણું સંશોધન બાકી છે, પરંતુ સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી એ ઉર્જા સંગ્રહના ક્ષેત્રમાં આવતીકાલની સૌથી મોટી ક્રાંતિ છે.