Assessment of Round-Trip and Coulombic Efficiency in Lithium-Ion Batteries Using a Mathematical Modeling Approach under Variable Operating Conditions
यह अध्ययन एक विश्लेषणात्मक ढांचे को विकसित और प्रयोगात्मक रूप से मान्य करता है जो विभिन्न उम्र बढ़ने और थर्मल स्थितियों के तहत लिथियम-आयन बैटरी में कूलम्बिक दक्षता, क्षमता प्रतिधारण और राउंड-ट्रिप प्रदर्शन के युग्मित विकास को परिमाणित करता है, जो 1500 चक्रों में क्षमता हानि के साथ महत्वपूर्ण दक्षता गिरावट को प्रकट करता है।
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हर दिन, अरबों लोग अपने फोन को जीवित रखने, अपनी कारों को चलाने और अपने घरों को रोशन करने के लिए छोटे, अदृश्य ऊर्जा स्रोतों पर भरोसा करते हैं। ये लिथियम-आयन बैटरियां हैं, जो आधुनिक दुनिया के पुनर्भारी (rechargeable) कार्यबल हैं। इनके भीतर, आयन नामक सूक्ष्म आवेशित कण बैटरी के दो सिरों के बीच आगे-पीछे घूमते हैं, और प्लग इन करने पर ऊर्जा संग्रहीत करते हैं और आवश्यकता होने पर उसे मुक्त करते हैं। इन बैटरियों के उपयोगी होने के लिए, उन्हें कुशल होना चाहिए: उन्हें उतनी ही ऊर्जा वापस देनी चाहिए जितनी वे लेती हैं, और उन्हें खराब होने से पहले उस ऊर्जा को लंबे समय तक बनाए रखना चाहिए। हालाँकि, किसी भी मशीन की तरह, ये बैटरियां हमेशा के लिए नहीं चलतीं। जैसे-जैसे वे पुरानी होती हैं और बार-बार उपयोग की जाती हैं, वे धीरे-धीरे अपनी शक्ति संग्रहीत करने की क्षमता खो देती हैं, और चार्ज करने और डिस्चार्ज करने की प्रक्रिया कम सटीक होती जाती है। यह समझना कि यह वास्तव में कैसे और क्यों होता है, अत्यंत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से जैसे-जैसे दुनिया इलेक्ट्रिक वाहनों और बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण की ओर बढ़ रही है, जहाँ एक बैटरी की विफलता का अर्थ राजमार्ग पर कार का रुक जाना या शहर की बिजली गुल होना हो सकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस धीमी गिरावट को सटीकता के साथ मैप करने का लक्ष्य रखा। वे केवल इस बात को गिनने से आगे बढ़ना चाहते थे कि बैटरी मरने से पहले कितनी बार चार्ज की जा सकती है। इसके बजाय, उन्होंने स्वास्थ्य के दो विशिष्ट मापों को ट्रैक करने के लिए एक गणितीय मॉडल बनाया: चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान कितनी ऊर्जा नष्ट होती है, और हजारों चक्रों के बाद कुल क्षमता कितनी शेष रहती है। उन्होंने अपने विचारों का परीक्षण एक मानक 3.6-वोल्ट लिथियम-आयन सेल का उपयोग करके किया, जो अक्सर पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में पाया जाता है, और इसे चार्ज करने और खाली करने के एक कठोर नियम के अधीन किया। उन्होंने इस चक्र को 1,500 बार चलाया, जो भारी उपयोग के वर्षों का अनुकरण करने के लिए चुना गया था, जबकि साथ ही यह भी परीक्षण किया कि जमा देने वाली ठंड से लेकर झुलसा देने वाली गर्मी तक के तापमान में बैटरी कैसा व्यवहार करती है।
परिणामों ने क्षय (aging) की एक स्पष्ट तस्वीर पेश की। जैसे-जैसे बैटरी अपने जीवन के चक्रों से गुजरी, पूर्ण चार्ज रखने की उसकी क्षमता काफी कम हो गई। परीक्षण की शुरुआत में, बैटरी लगभग 2.7 एम्पियर-घंटे की शक्ति प्रदान कर सकती थी, जो इसकी कुल ऊर्जा क्षमता का एक माप है। 1,500 चक्रों के बाद, वह संख्या घटकर लगभग 1.8 एम्पियर-घंटे रह गई। यह इसकी मूल भंडारण शक्ति का लगभग 34 प्रतिशत नुकसान दर्शाता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पाया कि बैटरी उस ऊर्जा को स्थानांतरित करने में तेजी से अक्षम होती गई। शुरुआत में, बैटरी जो कुछ भी प्राप्त करती थी, उसका लगभग 90 प्रतिशत वापस लौटाने में बहुत अच्छी थी। 1,500 चक्रों के अंत तक, यह दक्षता गिरकर 60 प्रतिशत से भी कम रह गई। इसका अर्थ है कि जैसे-जैसे बैटरी पुरानी हुई, इसमें डाली गई बिजली का एक बड़ा हिस्सा बस गर्मी के रूप में नष्ट हो गया या इसके अंदर ही फंस गया, जो उपकरण को चलाने के लिए बाहर कभी नहीं आ सका।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि तापमान इस गिरावट में प्रमुख भूमिका निभाता है। जब शोधकर्ताओं ने बैटरी का परीक्षण गर्म परिस्थितियों में किया, तो वह ऊर्जा जो बैटरी दे सकती थी, उसमें उल्लेखनीय गिरावट आई। चक्रों की गणना किए बिना भी, तापमान को 0 डिग्री सेल्सियस के ठंडे तापमान से बढ़ाकर 75 डिग्री सेल्सियस गर्म करने से बैटरी की डिस्चार्ज क्षमता में 17 प्रतिशत से अधिक की गिरावट आई। यह सुझाव देता है कि बैटरियों को ठंडा रखना उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि उनका कितनी बार उपयोग किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक पूर्ण चार्ज और डिस्चार्ज चक्र को पूरा करने में लगने वाले समय को भी ट्रैक किया। आश्चर्यजनक रूप से, बैटरी के पुराने होने के साथ यह समय छोटा होता गया। हालांकि एक छोटा चक्र सुधार लग सकता है, लेकिन यह कमजोरी का संकेत था। क्योंकि बैटरी अब उतना चार्ज नहीं रख सकती थी, इसलिए इसने कम समय में ही भरना और खाली होना शुरू कर दिया, जिससे ऊर्जा को स्थानांतरित करने में कम समय लगा और राउंड ट्रिप जल्दी पूरी हो गई।
अपने गणितीय मॉडल की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया जो वास्तविक दुनिया के परिवेश में बैटरी के व्यवहार की नकल करता है। उन्होंने करंट के प्रवाह को उच्च सटीकता के साथ मापने के लिए चार्जिंग और डिस्चार्जिंग को प्रबंधित करने के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग किया। जब उन्होंने अपने कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त आंकड़ों की तुलना अपने भौतिक हार्डवेयर के डेटा से की, तो दोनों निकटता से मेल खाए। इसने पुष्टि की कि उनका मॉडल बिना हजारों घंटों के भौतिक परीक्षणों के, विभिन्न स्थितियों के तहत एक बैटरी कैसे प्रदर्शन करेगी, इसका विश्वसनीय रूप से पूर्वानुमान लगा सकता है। यह कार्य इंजीनियरों और बैटरी प्रबंधकों के लिए एक व्यावहारिक उपकरण प्रदान करता है। यह निगरानी करते हुए कि एक बैटरी कितनी कुशलता से ऊर्जा स्थानांतरित करती है और वह कितनी क्षमता बनाए रखती है, सिस्टम को यह बेहतर भविष्यवाणी करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है कि बैटरी कब अपने उपयोगी जीवन के अंत के करीब पहुँच रही है। यह इलेक्ट्रिक परिवहन और नवीकरणीय ऊर्जा के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ बैटरी के वास्तविक स्वास्थ्य को जानना प्रारंभिक खरीद के लंबे समय बाद भी सुरक्षा और विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है।
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