Cost, volumetric energy density, and fast-charging projections of Na-ion and Li-ion batteries from a European perspective

हमारे सड़कों को धीरे-धीरे नया रूप देने वाले इलेक्ट्रिक वाहन एक एकल, महत्वपूर्ण घटक पर निर्भर करते हैं: बैटरी। एक दशक से अधिक समय से, उद्योग का वर्चस्व लिथियम-आयन बैटरियों का रहा है, जो लिथियम, कोबाल्ट और निकल जैसी विशिष्ट धातुओं से बनी कोशिकाओं में ऊर्जा संग्रहीत करती हैं। ये बैटरियां शक्तिशाली और कुशल हैं, लेकिन वे उन सामग्रियों पर निर्भर हैं जो महंगी हैं और कभी-कभी जुटाना कठिन होता है। जैसे-जैसे दुनिया अपने परिवहन को और अधिक विद्युतीकृत करने की ओर देख रही है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने एक बैकअप योजना की तलाश शुरू कर दी है। एक आशाजनक विकल्प सोडियम-आयन बैटरी है। दुर्लभ लिथियम के बजाय, ये कोशिकाएं नमक में पाए जाने वाले एक सामान्य तत्व सोडियम का उपयोग करती हैं, जिसे लोहे और मैंगनीज जैसी अन्य प्रचुर धातुओं के साथ जोड़ा जाता है। विचार यह है कि यदि हम ऐसी सामग्रियों से बैटरी बना सकें जो हर जगह उपलब्ध हैं और सस्ती हैं, तो हम कम पैसे में अपनी कारों को चला पाने में सक्षम हो सकते हैं। हालाँकि, केवल इसलिए कि कोई सामग्री सस्ती है, इसका मतलब यह नहीं है कि अंतिम उत्पाद बेहतर होगा। वास्तविक परीक्षण इस बात में निहित है कि क्या ये नई बैटरियां इतनी ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं कि एक लंबी दूरी तक कार चला सकें और एक व्यस्त जीवन में फिट होने के लिए पर्याप्त तेजी से चार्ज हो सकें, और वह भी उन लिथियम संस्करणों की तुलना में कम लागत में जिन्हें वे बदलने की उम्मीद करती हैं।

वोक्सवैगन और जर्मनी के कार्ल्सरूहे इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक कठोर, कंप्यूटर-आधारित जांच करने का निर्णय लिया। उन्होंने प्रयोगशाला में एक भी भौतिक बैटरी नहीं बनाई; इसके बजाय, उन्होंने संपूर्ण विनिर्माण प्रक्रिया का एक विस्तृत डिजिटल मॉडल तैयार किया। उन्होंने लगभग 4,500 अलग-अलग बैटरी सेल डिजाइनों का निर्माण किया, जिसमें विभिन्न सामग्रियों और उत्पादन विधियों का मिश्रण और मिलान किया गया ताकि यह देखा जा सके कि वे वास्तविक दुनिया में कैसा प्रदर्शन करेंगे। उनका लक्ष्य तीन प्रतिस्पर्धी कारकों के बीच सही संतुलन खोजना था: बैटरी बनाने की लागत, कितनी ऊर्जा एक दिए गए स्थान में समा सकती है, और इसे कितनी तेजी से रिचार्ज किया जा सकता है। उन्होंने विशेष रूप से दो प्रकार की बैटरियों पर ध्यान केंद्रित किया: वर्तमान मानक, जो LFP नामक लिथियम-आधारित सामग्री का उपयोग करता है, और उभरता हुआ प्रतिद्वंदी, सोडियम-आयन बैटरी, जो अपने नकारात्मक पक्ष (negative side) के लिए एक लेयर्ड मेटल ऑक्साइड और एक हार्ड कार्बन सामग्री का उपयोग करती है।

शोधकर्ताओं ने भूगोल कैसे परिणाम को प्रभावित करता है, यह समझने के लिए अपने सिमुलेशन को तीन अलग-अलग उत्पादन परिदृश्यों में चलाया। उन्होंने एक परिदृश्य का मॉडल बनाया जहाँ सब कुछ चीन में बनाया जाता है, एक परिदृश्य जहाँ कच्चा माल चीन से आता है लेकिन अंतिम असेंबली यूरोप में होती है, और एक परिदृश्य जहाँ पूरी आपूर्ति श्रृंखला यूरोप के भीतर निर्मित होती है। यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण था क्योंकि ऊर्जा, श्रम और कच्चे माल की लागत इन क्षेत्रों के बीच काफी भिन्न होती है। परिणामों ने एक स्पष्ट, हालांकि कुछ हद तक जटिल, तस्वीर पेश की। सिमुलेशन ने दिखाया कि सोडियम-आयन बैटरियों को वास्तव में सर्वोत्तम लिथियम-आयन बैटरियों के समान लागत वाला बनाया जा सकता है, लेकिन केवल तभी जब लिथियम कार्बोनेट की कीमत काफी बढ़ जाए या यदि सोडियम बैटरियों में और सुधार किया जाए। वर्तमान बाजार में, जहाँ लिथियम की कीमतें गिर गई हैं, सोडियम बैटरियों के पास स्वाभाविक लागत लाभ नहीं है।

जब शोधकर्ताओं ने इन सिम्युलेटेड सेल्स के भौतिक प्रदर्शन को देखा, तो एक समझौता अपरिहार्य हो गया। सोडियम-आयन बैटरियों को प्रतिस्पर्धी रूप से सस्ता बनाने के लिए, डिजाइन को स्थान और गति का त्याग करना पड़ा। सोडियम कोशिकाएं अपने लिथियम प्रतिद्वंद्वियों की लागत से मेल खाने में सक्षम थीं, लेकिन वे समान आयतन में उतनी ऊर्जा नहीं भर सकीं। इसका मतलब है कि इन बैटरियों का उपयोग करने वाली कार या तो भारी होगी या समान आकार के बैटरी पैक के लिए कम ड्राइविंग रेंज रखेगी। इसके अलावा, चार्जिंग का समय लंबा था। सोडियम बैटरी के नकारात्मक पक्ष के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री, जिसे हार्ड कार्बन कहा जाता है, की एक ऐसी संरचना है जो लिथियम बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट की तुलना में आयनों को तेजी से गुजरने में कठिनाई पैदा करती है। यह फास्ट चार्जिंग के दौरान एक बाधा उत्पन्न करता है, जिससे बैटरी को नुकसान से बचने के लिए धीमी गति से चार्ज होना पड़ता है। अध्ययन में पाया गया कि उन्नत डिजाइनों के बावजूद, सोडियम बैटरियां उन फास्ट-चार्जिंग गतियों तक पहुँचने के लिए संघर्ष करती हैं जिनकी आधुनिक इलेक्ट्रिक वाहन चालक अपेक्षा करते हैं।

उत्पादन के स्थान ने अंतिम आंकड़ों में बहुत बड़ी भूमिका निभाई। प्रत्येक सिमुलेशन में सबसे किफायती विकल्प पूरे आपूर्ति श्रृंखला को चीन में निर्मित करना और तैयार सेल्स को यूरोप में आयात करना था। बैटरी सेल्स की अंतिम असेंबली को यूरोप में ले जाने से, जबकि कच्चे माल का आयात जारी रहता है, लागत में लगभग दस से चौदह प्रतिशत की वृद्धि हुई। यदि यूरोप एक पूरी तरह से स्वतंत्र आपूर्ति श्रृंखला बनाने की कोशिश करता है, जिसमें सभी सामग्रियों को स्थानीय रूप से प्राप्त और संसाधित किया जाए, तो लागत लगभग पच्चीस प्रतिशत बढ़ जाएगी। यह उच्च लागत यूरोप में ऊर्जा और श्रम की उच्च कीमतों के कारण है, साथ ही इन विशिष्ट सामग्रियों के लिए स्थापित औद्योगिक नेटवर्क की कमी के कारण भी है। अध्ययन बताता है कि चीन के आयात के साथ लागत पर प्रतिस्पर्धा करने के लिए, यूरोप को या तो उच्च कीमतों को स्वीकार करना होगा या अपनी उत्पादन लागत को नाटकीय रूप से कम करने का कोई तरीका खोजना होगा।

शोधकर्ताओं ने यह जानने के लिए सामग्रियों का भी बारीकी से अध्ययन किया कि पैसा कहाँ खर्च हो रहा था। उन्होंने पाया कि सोडियम बैटरियों में उपयोग किया जाने वाला हार्ड कार्बन वर्तमान में एक प्रमुख लागत चालक है। हालांकि इसे अक्सर ग्रेफाइट के सस्ते विकल्प के रूप में प्रचारित किया जाता है, लेकिन इन सिमुलेशन में उपयोग किए जाने वाले हार्ड कार्बन के विशिष्ट प्रकार, जो अक्सर दक्षिण पूर्व एशिया से आयातित नारियल के छिलकों से प्राप्त होते हैं, उन्हें संसाधित और शुद्ध करना महंगा है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि जब तक यूरोप या चीन लकड़ी के कचरे या बांस जैसे सस्ते, घरेलू स्रोतों से हार्ड कार्बन के बड़े पैमाने पर, स्थानीय उत्पादन को विकसित नहीं करते हैं, तब तक सोडियम बैटरियों का लागत लाभ मिलना मुश्किल रहेगा। इसके अतिरिक्त, सोडियम बैटरी का सकारात्मक पक्ष निकल का उपयोग करता है, जो एक ऐसी धातु है जो पारंपरिक बैटरियों में लिथियम की तरह ही मूल्य अस्थिरता के अधीन है। इसका मतलब है कि सोडियम बैटरियों के कच्चे माल की कीमतों के उतार-चढ़ाव से मुक्त होने का वादा पूरी तरह से सच नहीं है; वे बस एक महंगी धातु को दूसरी महंगी धातु से बदल देते हैं।

इन बाधाओं के बावजूद, अध्ययन सोडियम-आयन तकनीक के भविष्य को खारिज नहीं करता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यदि लिथियम की कीमत पिछले वर्षों में देखी गई स्तरों तक फिर से बढ़ जाती है, तो सोडियम बैटरियां तुरंत सस्ते विकल्प बन जाएंगी। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पहचान की कि सोडियम सेल्स के ऊर्जा घनत्व (energy density) में सुधार करके—यानी कम स्थान में अधिक शक्ति संग्रहीत करके—वे बहुत अधिक प्रतिस्पर्धी हो सकते हैं, विशेष रूप से उन यूरोपीय कारखानों में जहाँ उत्पादन लागत अधिक है। अध्ययन सुझाव देता है कि यूरोप अन्य प्रकार की बैटरियों के निर्माण में अपने मौजूदा विशेषज्ञता का लाभ उठाकर और उन लाइनों को सोडियम-आयन उत्पादन के लिए अनुकूलित करके इस तकनीक में अपनी जगह बना सकता है। हालाँकि, इस मार्ग के लिए महत्वपूर्ण निवेश और यह स्वीकार करने की इच्छा आवश्यक है कि यह तकनीक अभी तक वर्तमान लिथियम मानक का पूर्ण प्रतिस्थापन नहीं है।

अंततः, यह कार्य बैटरी विकास के अगले दशक के लिए एक यथार्थवादी रोडमैप प्रदान करता है। यह पुष्टि करता है कि हालांकि सोडियम-आयन बैटरियां ऊर्जा मिश्रण के भविष्य का एक व्यवहार्य और आवश्यक हिस्सा हैं, वे कोई जादुई समाधान नहीं हैं जो तुरंत लागत कम कर देंगे या प्रदर्शन में सुधार करेंगे। वे अलग ताकत और कमजोरियों वाले एक अलग उपकरण हैं। तकनीक के सफल होने के लिए, निर्माताओं को हार्ड कार्बन उत्पादन की चुनौतियों को हल करना होगा और उन सेल्स के चार्ज होने की गति में सुधार करना होगा। जब तक वे इंजीनियरिंग समस्याओं को हल नहीं कर लेते, तब तक लिथियम-आयन बैटरी का प्रभुत्व बना रहेगा, और सोडियम-आयन किनारे पर खड़ा है, इस प्रतीक्षा में कि कब बाजार की अर्थव्यवस्था बदलेगी या तकनीक इतनी परिपक्व होगी कि वह अंतर को पाट सके। यह अध्ययन एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि बैटरी तकनीक की दुनिया में, कोई शॉर्टकट नहीं है, केवल लागत, ऊर्जा और गति के बीच सावधानीपूर्वक समझौते (trade-offs) हैं।