दुनिया की पहली anode-free sodium solid-state battery विकसित

 (pme.uchicago.edu)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-07-07 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • UChicago PME की Y. Shirley Meng lab और UC San Diego के सहयोगी शोधकर्ताओं ने sodium, solid electrolyte, और anode-free संरचना को मिलाकर EVs और grid storage के लिए कम लागत, fast-charging और high-capacity battery की संभावना को करीब ला दिया है
  • lithium की जगह प्रचुर मात्रा में उपलब्ध sodium का उपयोग और anode हटाकर लागत व पर्यावरणीय बोझ घटाया गया है, जबकि solid-state design से safety और power output हासिल करने का लक्ष्य है
  • Nature Energy के पेपर में बताया गया है कि नई संरचना ने सैकड़ों बार stable cycling दिखाई, और पहले अलग-अलग लागू की गई तीन battery concepts को एक ही संरचना में जोड़ना इसका मुख्य बिंदु है
  • design की कुंजी यह है कि electrolyte current collector को घेरने के बजाय aluminium powder current collector electrolyte को घेरे, जिससे solid होने के बावजूद liquid जैसी close contact बन सके
  • शोधकर्ताओं का मानना है कि यह approach fossil fuels को replace करने के लिए जरूरी battery scale gap को कम करने की दिशा में एक कदम है, और उन्होंने UC San Diego Office of Innovation and Commercialization के जरिए patent application पूरी कर ली है

sodium, solid-state और anode-free को एक संरचना में जोड़ना

  • UChicago Pritzker Molecular Engineering की Y. Shirley Meng lab के तहत Laboratory for Energy Storage and Conversion ने दुनिया की पहली anode-free sodium solid-state battery बनाई है
  • LESC, UChicago Pritzker School of Molecular Engineering और UC San Diego के Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering के बीच एक collaborative organization है
  • sodium batteries, solid-state batteries और anode-free batteries अलग-अलग मौजूद थीं, लेकिन तीनों ideas को सफलतापूर्वक जोड़ने का कोई उदाहरण नहीं था
  • पेपर Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery Nature Energy में प्रकाशित हुआ है, और नई संरचना ने सैकड़ों बार stable cycling दिखाई है

lithium पर निर्भरता घटाने की वजह

  • lithium पृथ्वी की crust में लगभग 20ppm के स्तर पर है, जबकि sodium लगभग 20,000ppm के स्तर पर कहीं अधिक abundant है
  • laptops, phones और EVs के लिए lithium-ion batteries की demand बढ़ने से lithium की कीमत और supply pressure बढ़ा है, और जरूरी battery volumes secure करना और मुश्किल हो गया है
  • lithium reserves कुछ इलाकों में केंद्रित हैं
    • Chile, Argentina और Bolivia का Lithium Triangle दुनिया की lithium supply का 75% से अधिक रखता है
    • अन्य reserves Australia, North Carolina, Nevada आदि में हैं
  • lithium extraction, ore breakdown में इस्तेमाल होने वाले industrial acids या बड़ी मात्रा में पानी को सतह पर पंप कर सुखाने वाली brine extraction methods के कारण environmental damage कर सकता है
  • sodium seawater और soda ash mining में आम है, इसलिए battery material के रूप में इसे अधिक environment-friendly option माना जाता है

anode-free batteries क्या पाती और खोती हैं

  • traditional batteries में charging के दौरान ions store करने वाला anode होता है, और use के दौरान ions anode से electrolyte के जरिए current collector यानी cathode तक जाते हैं ताकि devices और cars को power मिल सके
  • anode-free batteries anode को हटा देती हैं और ions को current collector पर alkali metal के electrochemical deposition के रूप में सीधे store करती हैं
  • यह method higher cell voltage, lower cell cost और higher energy density संभव बनाता है, लेकिन electrolyte और current collector के contact को कठिन बना देता है
  • contact problem electrolyte type के हिसाब से बहुत बदलती है
    • liquid electrolyte surface को wet कर सकता है और कहीं भी flow कर सकता है, इसलिए contact बनाना आसान होता है
    • solid electrolyte उसी तरह flow नहीं कर सकता या surface को wet नहीं कर सकता
  • liquid electrolyte solid electrolyte interphase layer build-up बनाता है और active material को लगातार consume करता है, जिससे समय के साथ battery की usefulness घटती जाती है

aluminium powder से बना current collector design

  • शोधकर्ताओं ने electrolyte के current collector को घेरने के बजाय, current collector द्वारा electrolyte को घेरने वाली structure चुनी
  • current collector aluminium powder से बनाया गया है, जो liquid की तरह flow कर सकने वाला solid है
  • battery assembly के दौरान powder को high pressure में densify करके solid current collector बनाया जाता है, फिर भी electrolyte के साथ liquid जैसी contact बनी रहती है
  • यह structure low-cost, high-efficiency cycling को संभव बनाती है और sodium solid-state battery development को आगे बढ़ा सकती है
  • sodium solid-state batteries को आम तौर पर दूर के भविष्य की technology माना जाता है, लेकिन यह result दिखाता है कि वे वास्तव में अच्छी तरह काम कर सकती हैं, जिससे संबंधित research को और बढ़ावा मिल सकता है

battery scale-up और commercialization की दिशा

  • Meng ने कहा कि अमेरिका को एक घंटे तक चलाने के लिए 1TWh energy produce करनी होगी, और economy को decarbonize करने के लिए सैकड़ों TWh scale की batteries चाहिए
  • यह research fossil fuels से global economy को transition कराने के लिए जरूरी battery scaling gap भरने की दिशा में scientific progress मानी जाती है
  • Meng ऐसी future की कल्पना करती हैं जहाँ social needs के हिसाब से scale किए गए विभिन्न clean और low-cost battery options renewable energy store करें
  • Meng और Grayson Deysher ने UC San Diego Office of Innovation and Commercialization के जरिए इस research पर patent application पूरी कर ली है
  • research support National Science Foundation के Partnerships for Innovation grant no. 2044465 के जरिए दिया गया

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-07-07
Hacker News की टिप्पणियां

  • लिथियम की कीमत पिछले 2 सालों में असल में 80% गिर चुकी है, इसलिए लेख में यह हिस्सा मौजूदा संदर्भ में गलत है
    “बैटरियों में आम तौर पर इस्तेमाल होने वाला लिथियम इतना आम नहीं है। पृथ्वी की पर्पटी में यह लगभग 20ppm है, जबकि सोडियम 20,000ppm है।
    इसी दुर्लभता और लैपटॉप, मोबाइल फोन और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए lithium-ion batteries की मांग में तेज उछाल ने कीमतें बहुत बढ़ा दीं, जिससे जरूरी बैटरियां पाना और मुश्किल हो गया।”
    स्रोत: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
    https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...

    • सही, और “कुल मात्रा” और प्रमाणित भंडार को गड़बड़ कर देना, साथ ही यह बात छोड़ देना कि लोग अब पहले जितनी आक्रामकता से नए भंडार नहीं खोज रहे हैं
      हालांकि यह विश्वविद्यालय का PR लेख है, इसलिए जिस समस्या से बचा गया और जो प्रभाव बनाया गया, दोनों को बड़ा दिखाना इसका सामान्य तरीका है
      मुख्य बात यह है कि anode-free battery में कई वांछनीय गुण हैं, इसलिए engineering उपलब्धि के तौर पर यह ध्यान देने लायक है। खासकर सामग्री तक पहुंच इतनी अच्छी है कि कई देश अपने कच्चे माल से बैटरी बना सकते हैं, और cell integrity टूटने पर भी यह गर्म होकर खराब नहीं होती, इसलिए मौजूदा lithium batteries की तुलना में कारों के लिए ज्यादा उपयुक्त है
      अगली बाधा वही है जहां कई battery innovations गिर जाती हैं: mass production cost. अगर इसे कल देखे गए की तरह $1/kWh तक घटाया जा सके, तो ऐसी बहुत सी batteries देखने को मिलेंगी
    • अगर पृथ्वी की पर्पटी में लिथियम 20ppm और सोडियम 20,000ppm वाले आंकड़े गलत नहीं हैं, तो लंबे समय में सोडियम जुटाना निश्चित रूप से ज्यादा आसान लगता है
    • लेख दिलचस्प है और battery design भी मजेदार है, लेकिन यह सही है कि विश्वविद्यालय की PR टीम ने लिथियम की “समस्या” को काफी बढ़ा-चढ़ाकर बताया। यह कोई असामान्य बात भी नहीं है
    • यह बस एक साधारण सुधार है, और लिथियम की कीमत अब भी कोरोना से पहले की तुलना में ज्यादा है
    • Bloomberg NEF सचमुच कह रहा है कि अगले साल battery oversupply की स्थिति बनेगी: https://about.bnef.com/blog/china-already-makes-as-many-batt...
      वे थोड़ी-बहुत अतिरिक्त आपूर्ति नहीं, बल्कि बड़े पैमाने की oversupply का अनुमान लगा रहे हैं, और मानते हैं कि कीमतें गिरेंगी; खासकर नई और महंगी batteries के लिए, मौजूदा manufacturers के कीमतें घटाने के माहौल में मुकाबला करना मुश्किल होगा
      आने वाले कुछ सालों में अब तक जितनी batteries बनी हैं, उससे ज्यादा batteries बनाई जाएंगी। उत्पादन सालाना 1TWh से थोड़ा कम से बढ़कर कई TWh तक जा रहा है। Bloomberg NEF अगले साल की मांग लगभग 1.6TWh/वर्ष मानता है, और नई फैक्ट्रियों से जुड़े निवेश को 7.9TWh/वर्ष capacity तक track कर रहा है। सब नहीं बनेंगी, लेकिन यह बहुत बड़ी capacity है और lithium demand भी बड़ी है। फिर भी, जैसा बताया गया, कीमतें गिर रही हैं। क्योंकि लिथियम पर्याप्त है और अब कमी में नहीं है
      लिथियम Chile और Bolivia जैसी जगहों पर बहुत है, लेकिन असल में सबसे बड़ा producer Australia है। Chile जल्द ही नंबर 2 स्थान China को दे सकता है: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
      यह सब lithium इस्तेमाल न करने वाली battery chemistries पर विचार करने से पहले की बात है। Sodium-ion अभी काफी अच्छा दिख रहा है। इसमें lithium, cobalt, nickel वगैरह की जरूरत नहीं होती और यह पहले से ही कम कीमत वाली कारों और grid storage में इस्तेमाल हो रहा है। खासकर grid storage में lithium-based battery जरूरी नहीं कि सबसे स्वाभाविक विकल्प हो

  • मुझे बिजली की ज्यादा जानकारी नहीं, लेकिन electron flow के लिए anode की जरूरत नहीं होती क्या?
    Wikipedia में लिखा है कि “इसके बजाय पहली बार charge होने पर यह metal anode बनाती है”
    अभी पूरी तरह स्पष्ट नहीं है, लेकिन कुछ हद तक बात समझ में आती है

    • सही, “anode-free” शब्द ऐसा लगता है जैसे anode है ही नहीं, इसलिए भ्रम होता है। मेरी समझ में battery को current बहाने वाला circuit बनाने के लिए दो electrodes चाहिए होते हैं
      Wikipedia का पूरा वाक्य है: “Anode-free battery (AFB) वह battery है जो anode के बिना बनाई जाती है। इसके बजाय पहली बार charge होने पर यह metal anode बनाती है”
      थोड़ा “serverless” जैसा लगता है ;)
    • anode वह हिस्सा है जहां battery charge करते समय ions जाते हैं। वजन जितना हो सके कम करना हो, तो सोचा जा सकता है कि anode वास्तव में केवल उन्हीं ions से बना हो जो उस तरफ गए हैं। “anode-free” का यही मतलब है
      battery में charge होने पर sodium metal का कुछ हिस्सा anode की तरह काम करता है। पूरी तरह discharge होने पर sodium cathode की ओर चला गया होता है, इसलिए anode नहीं रहता
    • यह फायदा क्यों है, यह भी जानना चाहूंगा
      “पहली बार charge होने पर metal anode बनाती है” वाली बात को लेकर उत्साहित क्यों होना चाहिए, समझ नहीं आता
      तंज नहीं कर रहा, बस 5 साल के बच्चे को समझाने जैसा जवाब चाहता हूं

  • Na4MnCr(PO4)3
    क्रोमियम पृथ्वी की पर्पटी में लिथियम से 5 गुना ज़्यादा प्रचुर है (0.01% vs 0.002%). बेहतर तो है, लेकिन लगता है फर्क बहुत बड़ा नहीं है।
    Prussian blue इस्तेमाल करने वाली “सामान्य” सोडियम-ion battery का बड़ा फायदा यह लगता है कि वह दुर्लभ तत्वों का इस्तेमाल नहीं करती। अच्छा होगा अगर इस all-solid-state chemistry और सामान्य तरीके की तुलना हो।

    • दोनों के बीच geochemical difference काफी बड़ा है, इसलिए भले ही तकनीकी रूप से क्रोमियम बहुत ज़्यादा प्रचुर न हो, mining कहीं आसान है।
      क्रोमियम oxides और chromite के बनने की Gibbs free energy, lithium-containing minerals की तुलना में कहीं अधिक negative होती है, इसलिए Cr compounds melts और solutions में thermodynamically आसानी से precipitate होते हैं, high-concentration minerals बनाते हैं और फिर अन्य प्रक्रियाओं से ऊपर धकेल दिए जाते हैं। Li+ अपने single valence electron की वजह से अपेक्षाकृत मजबूत bonds या बहुत stable mineral phases आसानी से नहीं बना पाता।
      इसके अलावा magma और rocks में Cr species के diffusion coefficients आम तौर पर Li से कई orders of magnitude कम होते हैं। Cr जल्दी crystal structures में फंसकर वहीं रहता है, जबकि Li water-soluble mineral forms में लगातार move और diffuse करता रहता है। ऐसे biogeochemical cycles भी हैं जिनमें microbes sediments में Cr को concentrate कर सकते हैं।
    • पता नहीं 1:1 correspond करता है या नहीं, लेकिन यह site[0] कहती है कि दुनिया भर में chromium production 41 million tons है और lithium 180 thousand tons। यानी supply chain पहले से मौजूद है।
      [0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
    • Prussian blue को मैं paint color के रूप में जानता था, लेकिन यह हिस्सा नहीं पता था। दिलचस्प material है और Wikipedia rabbit hole भी काफी मज़ेदार था।
      https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
    • Lithium atomic number 3 है, और hydrogen व helium के साथ early universe में भी काफी कम स्तर पर मौजूद था। पृथ्वी की पर्पटी में लगभग 20~70ppm lithium है।
      extraction झंझट वाला हो सकता है, लेकिन यह खत्म हो जाने वाला material नहीं है।
    • battery को सैकड़ों cycles इस्तेमाल करने के बाद recycle करते समय chromium recovery process कैसी होगी, यह जानना चाहूंगा।
      यह भी important है कि वह trivalent chromium है, hexavalent chromium है, या कोई और form।
      Chromium > Precautions:
      https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions

  • paper preprint यहाँ है: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...

  • “lithium extraction environment के लिए भी harmful है। Brine extraction भारी मात्रा में पानी को surface पर खींचकर सुखाता है” जैसी अभिव्यक्ति थोड़ी बढ़ा-चढ़ाकर कही हुई लगती है।
    ऐसे dry lake beds से पानी निकालकर evaporate करना, जहाँ ज्यादा life नहीं होती, mining के environmental impact scale पर काफी निचले स्तर पर है। यह sodium extraction से तुलना में कैसा है, जानना चाहूंगा।

    • मुझे लगा था कि evaporation-based brine projects की मुख्य समस्या आम तौर पर water-scarce regions में water usage का बड़ा होना है। बेहतर direct extraction technologies भी हैं।
      Sodium के लिए seawater को ponds में evaporate किया जा सकता है, लेकिन यह तरीका wetlands को नष्ट करता है। SF Bay के आसपास भी ऐसी कई जगहें हैं और कुछ को original state में restore किया जा रहा है।
    • Brine extraction में कई समस्याएँ हैं, जिनमें intensive water usage और air pollution भी शामिल हैं। Extraction process में, उदाहरण के लिए, sulfur dioxide emit होता है।
    • environmental impacts के कुछ हिस्सों को अच्छी तरह summarize करने वाला overview है।
      Nature Reviews Earth & Environment का ‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’(2023), PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
    • मैं सहमत हूँ कि यह थोड़ा बढ़ा-चढ़ाकर कहा गया है, लेकिन फिर भी sodium और chromium इस्तेमाल में कहीं ज़्यादा simple हैं।

  • energy density, volume, charging cycles के बारे में कुछ भी नहीं बताया गया।

    • research theory पर है। research की हर चीज़ का तुरंत practical होना जरूरी नहीं। बाजार में आने वाला product बनने के लिए काफी engineering, tuning और testing चाहिए।
      यह announcement scientific achievement है, consumer-ready finished product नहीं।
    • article के मुताबिक इसे केवल 100 cycles तक test किया गया।
      इसलिए यह अभी experimental stage में है, और product version 1 साल के अंदर नहीं आएगा या शायद उससे भी ज्यादा समय लगेगा। Products naturally lifetime, weight, capacity जैसी कई categories के लिए specialize होते हैं, इसलिए तब ये metrics meaningful होंगे। उससे पहले यह सिर्फ एक experimental result है जिसके metrics को पिछले experimental results से compare किया जा सकता है।
    • लिखा है कि “यह एक नया sodium battery architecture दिखाता है जो सैकड़ों cycles तक stable cycling दिखाता है।” तो “stable” की definition पर निर्भर करता है, लेकिन grid storage के लिए अभी यह काफी कम है।
      graph लगभग 400Wh/kg, लगभग 800Wh/L density दिखाता है। Grid storage के लिए यह ठीक-ठाक संख्या है।
      paper https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 दुर्भाग्य से paywall के पीछे है।
      देखना होगा। battery technology की सफलता practical size पर discharge cycles के दौरान messy और complex surface reactions वास्तव में reversible हैं या नहीं, इसी पर निर्भर करती है।
    • हर महीने आने वाली battery breakthrough announcements अब थोड़ा irritate करने लगी हैं। इस बार लगता है “सैकड़ों cycles” publish होने के लिए enough था।

  • उम्मीद है यह सचमुच एक breakthrough हो, लेकिन मेरा अनुमान है कि पहला comment इस battery की real world में किसी अहम कमी की ओर इशारा करेगा

    • बहुत high level पर देखें तो, solid-state battery जैसी सुनने में plausible लगने वाली technology के बारे में मूल शंका यह होनी चाहिए कि investors को दिखाने लायक छोटे cells बनाना आसान लगता है
      hype cycle के दौरान सुनी गई ज्यादातर lithium-based solid-state battery companies के पास ऐसी solid-state batteries थीं जिनके cycle count और density अच्छे लगते थे, लेकिन वे मूल रूप से घड़ी की battery के आकार की थीं
      लेकिन वे scale नहीं कर पाईं। मतलब वे modern EVs में इस्तेमाल होने वाली बड़ी batteries नहीं बना सकीं, और real world में इस्तेमाल होने वाले battery form factor में mass production भी नहीं कर सकीं
      फिर भी, यह बहुत promising दिखता है
    • यह research group द्वारा नए approach पर paper publication है। ज्यादा दिलचस्प सवाल यह होगा कि क्या इसे reality में ले जाना उम्मीद से आसान बनाने वाला कोई factor मौजूद है
      abstract इस वाक्य पर खत्म होता है: “यह cell architecture कम लागत, high energy density और fast-charging batteries को संभव बनाने के लिए दूसरी battery chemistries की future direction के रूप में काम करता है।” यह अहम basic research और exploration है
      किसी दिन universities को research publicity के तरीके पर सच में फिर से सोचना चाहिए। कम से कम ऐसे titles को थोड़ा नरम करना चाहिए जो lab के बजाय किसी scammy startup से निकले हुए लगते हैं

  • batteries में अहम चीज scale और total cost है। elements सस्ते हों, तब भी सवाल यह है कि क्या product मौजूदा standard से काफी बेहतर या सस्ता है। LFP के rise को देख लें
    यह भी key है कि existing factories और manufacturing technology इस्तेमाल हो सकती है या सब कुछ नया invent या build करना पड़ेगा। solid-state batteries की बातें 15 साल से सुन रहे हैं, लेकिन अभी तक वे पर्याप्त बड़े scale पर नहीं आई हैं
    अगर solid-state batteries सफल होती हैं, तो शायद पहले electric aviation और supercars में दिखेंगी, जहाँ cost को महंगे product price में छिपाया जा सकता है और higher density की जरूरत होती है

  • “सैकड़ों cycles तक stable cycling” का मतलब है कि यह usable battery से लगभग एक order of magnitude कम है

    • क्या paper कहता है कि सैकड़ों cycles के बाद यह stable नहीं रहती, या फिर अभी केवल सैकड़ों cycles तक ही test किया गया है और उस range में यह लगातार stable रही? इन दोनों में बड़ा फर्क है
    • सामान्य lithium-ion cells भी आम तौर पर 500~1,000 cycles rated होते हैं

  • उम्मीद है यह commercially सफल हो और lithium batteries बनाने व deploy करने की गंदी process पूरी तरह खत्म हो जाए
    आशा है कि चीन और उन देशों पर निर्भरता कम होगी जहाँ बाल मजदूरी या लगभग न के बराबर safety regulations जैसी संदिग्ध labor practices हैं

    • मैंने बहुत सारी inflated academic announcements देखी हैं जो commercialization तक नहीं पहुँचतीं। manufacturing में अक्सर छोटे लेकिन घातक factors छूट जाते हैं। production मुश्किल है—यह बात बिल्कुल सही बैठती है
      disclaimer: मैं सच में चाहता हूँ कि ये batteries सफल हों