उच्च करंट से चार्ज करने पर lithium-ion बैटरी की उम्र 50% बढ़ी

• बैटरी निर्माण के अंतिम चरण पहली चार्जिंग की शर्तें बदलने पर औसत आयु 50% बढ़ी और शुरुआती चार्जिंग समय 10 घंटे से घटकर 20 मिनट रह गया
• यह चरण anode की सतह पर SEI सुरक्षा परत बनाने वाली formation प्रक्रिया है, जो बाद की charge-discharge performance और degradation की गति पर बड़ा असर डालती है
• वैज्ञानिक machine learning विश्लेषण में पहली चार्जिंग की शर्तों में तापमान और करंट को मुख्य चर के रूप में पहचाना गया, और high-current charging ने शुरुआती lithium deactivation को लगभग 9% से बढ़ाकर लगभग 30% कर दिया
• शुरुआती lithium loss का बड़ा स्तर अल्पकाल में नुकसान जैसा लग सकता है, लेकिन यह cathode में खाली जगह बनाकर बाद के electrode cycling को अधिक कुशल बनाता है
• पहली चार्जिंग में low-current को प्राथमिकता देने वाली निर्माण प्रथा की अब lifespan और manufacturing efficiency दोनों को साथ में optimize करने के नजरिए से फिर से समीक्षा की जा सकती है

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पहली चार्जिंग की शर्तें उम्र और निर्माण समय बदल देती हैं

• lithium-ion बैटरी की पहली चार्जिंग यह तय करती है कि बाद में बैटरी कितनी स्थिरता से काम करेगी और degradation से पहले कितने charge-discharge cycles सह पाएगी
• SLAC-Stanford Battery Center के शोधकर्ताओं ने Joule में प्रकाशित अध्ययन में पाया कि नई बैटरी को पहली बार असामान्य रूप से उच्च करंट पर चार्ज करने से औसत आयु में 50% वृद्धि हुई
• इन्हीं शर्तों में शुरुआती चार्जिंग समय पहले के 10 घंटों से घटकर 20 मिनट रह गया
• इस शोध का नेतृत्व SLAC/Stanford टीम ने किया और इसमें Toyota Research Institute(TRI), MIT, तथा University of Washington के शोधकर्ता शामिल थे

formation चरण, जिसमें SEI सुरक्षा परत बनती है

• शोध टीम ने pouch cell बनाए, जिनमें cathode और anode electrolyte solution से घिरे थे, ताकि शुरुआती cycles में होने वाले बदलावों को देखा जा सके
• बैटरी चार्ज होने पर lithium ions संग्रह के लिए anode की ओर जाते हैं, और discharge होने पर वे वापस cathode की ओर जाकर electron flow पैदा करते हैं
• नई बैटरी का cathode शुरुआत में lithium से 100% भरा होता है, और charge-discharge cycles दोहरने पर lithium का कुछ हिस्सा inactive हो जाता है
• शुरुआती lithium loss का एक हिस्सा anode की सतह पर solid electrolyte interphase(SEI) नाम की एक नरम परत बनाने में इस्तेमाल होता है
  • SEI, anode को side reactions से बचाती है
  • side reactions lithium loss को तेज कर सकती हैं और बैटरी को जल्दी degrade कर सकती हैं
• पहली चार्जिंग निर्माण प्रक्रिया का अंतिम चरण formation है, और यदि यह चरण विफल हो जाए तो उससे पहले बैटरी में लगाया गया सारा मूल्य और प्रयास व्यर्थ हो सकता है

low-current प्रथा और high-current प्रयोग का अंतर

• निर्माता आम तौर पर नई बैटरी की पहली चार्जिंग कम करंट पर करते रहे हैं, इस सोच के साथ कि इससे सबसे मजबूत SEI परत बनेगी
• low-current charging में अधिक समय और लागत लगती है, और यह हमेशा सर्वोत्तम परिणाम नहीं देती
• हाल के अध्ययनों ने दिखाया है कि अधिक करंट से तेज चार्ज करने पर भी बैटरी performance जरूरी नहीं कि घटे, और यह अध्ययन उसके कारणों का अधिक गहराई से विश्लेषण करता है
• पहली चार्जिंग में SEI formation को प्रभावित करने वाले variables दर्जनों में हैं, इसलिए हर संयोजन को lab में परखना कठिन है

machine learning ने तापमान और करंट को मुख्य चर तक सीमित किया

• शोध टीम ने वैज्ञानिक machine learning का उपयोग करके अच्छे परिणाम देने वाले सबसे महत्वपूर्ण variables की पहचान की
• कई variables में से तापमान और charging current का प्रभाव विशेष रूप से बड़ा पाया गया
• high-current पहली चार्जिंग ने परीक्षण बैटरियों की औसत आयु में 50% की स्पष्ट बढ़ोतरी दिखाई
• high-current conditions ने शुरुआती lithium deactivation ratio को पुरानी विधि के लगभग 9% से बढ़ाकर लगभग 30% कर दिया, लेकिन यही बदलाव उल्टा performance improvement से जुड़ा निकला

बड़ी शुरुआती हानि बाद की दक्षता कैसे बढ़ाती है

• शुरुआत में अधिक lithium ions को inactive करने की प्रक्रिया की तुलना उस स्थिति से की गई, जैसे पानी से भरी बाल्टी को उठाने से पहले उसमें से थोड़ा पानी निकाल दिया जाए
• जैसे बाल्टी में खाली जगह बनने पर चलते समय पानी कम छलकता है, वैसे ही SEI formation के दौरान अधिक lithium को inactive करने से cathode में खाली जगह बनती है
• यह खाली जगह बाद के cycles में electrodes को अधिक कुशलता से काम करने में मदद करती है और आगे की performance को बेहतर बनाती है
• सिर्फ अच्छी बैटरी बनाने वाली conditions ढूंढने से अधिक महत्वपूर्ण यह समझना है कि वे conditions कैसे काम करती हैं, ताकि उन्हें manufacturing process में लागू करना आसान हो
• ऐसी समझ battery performance और manufacturing efficiency के बीच संतुलन को फिर से साधने के लिए जरूरी है

manufacturing process optimization तक पहुंचने की संभावना

• बैटरी निर्माण पूंजी, ऊर्जा और समय-गहन प्रक्रिया है, और नई manufacturing line चालू करने में भी लंबा समय लगता है
• process variables भी बहुत अधिक हैं, इसलिए optimal conditions ढूंढना कठिन है
• यह परिणाम बैटरी निर्माण के एक महत्वपूर्ण चरण, यानी पहली चार्जिंग, को समझने और optimize करने के लिए एक generalizable approach पेश करता है
• TRI ने कहा कि इस शोध से मिली समझ को भविष्य में नई processes, facilities, equipment, और battery chemistries पर स्थानांतरित किया जा सकता है
• इस शोध को Toyota Research Institute के Accelerated Materials Design and Discovery प्रोग्राम से funding मिली

[GN⁺]

Hacker News की राय

• इंडस्ट्री में थोड़ा काम कर चुके व्यक्ति के तौर पर मुझे यह रिसर्च कुछ संदिग्ध लगती है। अगर यह सच होता, तो शुरुआती चार्जिंग conditions अलग रखने वाली पिछली studies या experiments में भी बेहतर degradation performance दिखी होती, और ऐसे मामले हमने निश्चित रूप से देखे होते
  इसके अलावा, यह भी देखना होगा कि बढ़ी हुई solid electrolyte interphase (SEI) layer cell की impedance को कितना बदलती है, जिससे बाद की charging speed और usable capacity कम हो सकती है

  • सहमत। सिर्फ इस summary से दर्जनों दूसरी lab tests के साथ इसका विरोधाभास समझाना मुश्किल है। मेरे पास कई manufacturers (Samsung/Sony/Panasonic) के 21700 cells के कई boxes हैं और 2 साल से ज्यादा समय से aging tests चला रहा हूं
    सभी lithium-ion और lithium-polymer chemistries में एक बात common दिखी: 60% से नीचे deep discharge करने पर usable charge cycles 8000 से घटकर 2000 से कम हो जाते हैं, high-current discharge या fast charging capacity loss को सालाना लगभग 15% तक तेज कर देती है, और dendrite defect shorts cell को नुकसान पहुंचाते हुए internal resistance और self-discharge rate दोनों बढ़ा देते हैं
    अगर यह technique सभी cell chemistries में काम करती है, तो यह काफी चौंकाने वाला result होगा
  • Electric vehicles में supercharger का इस्तेमाल शुरुआत में काफी खराब माना जाता था, लेकिन बाद में results नहीं आए थे कि यह battery life पर उतना बुरा असर नहीं डालता जितना सोचा गया था?
    https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
  • Article में दिया गया analogy भी कई मायनों में शक पैदा करता है
    “शुरुआत में ज्यादा lithium ions हटाना वैसा है जैसे भरी बाल्टी ले जाने से पहले थोड़ा पानी निकाल देना। खाली जगह बढ़ने पर चलते समय पानी कम छलकता है। इसी तरह SEI formation के दौरान ज्यादा lithium ions को inactive करने से positive electrode में खाली जगह बनती है और electrode अधिक efficiently cycle करता है, जिससे बाद की performance बेहतर होती है” — इस तरह की बात है, लेकिन explanation बहुत मजबूत नहीं लगती

• अगर production stage में भी यह सही बैठता है, तो वाकई शानदार खोज है। यानी यह आंखों के सामने छिपा हुआ एक process variable था

  • Companies शायद कभी नहीं करेंगी। क्योंकि इससे revenue घटेगा
    आसान कदमों से battery life काफी बढ़ाई जा सकती है, इस तरह के लेख इधर-उधर अक्सर दिखते हैं, लेकिन बहुत special use cases के अलावा इन्हें असल में लागू नहीं किया जाता
    आम तौर पर वही lifetime बनाए रखते हुए energy density बढ़ाने की दिशा में जाते हैं। High-voltage lithium-ion cells (charge termination voltage 4.2V से ऊपर) इसका उदाहरण हैं; अगर इन्हें सिर्फ 4.2V तक charge किया जाए तो ये पुराने types से कहीं ज्यादा चलेंगे, लेकिन manufacturers 4.3V, 4.35V, यहां तक कि 4.4V तक advertise करते हैं और उससे मिलने वाली extra capacity को highlight करते हैं

• Summary यह है कि battery की शुरुआती formation charge process में कुछ lithium inactive होकर negative electrode के आसपास एक नरम protective layer, यानी solid electrolyte interphase (SEI) बनाता है
  अभी manufacturers आम तौर पर slow formation charging करते हैं, जिसमें करीब 9% lithium SEI में चला जाता है। मजबूत layer बनाने के लिए ऐसा करना जरूरी माना जाता था, लेकिन इस study में higher initial charging current पर 30% SEI बन गया
  यानी समान lithium amount के हिसाब से battery capacity थोड़ी कम होती है, लेकिन electrode protective layer मोटी हो जाती है, जिससे बाद के charge cycles में lifetime बेहतर होती है — यही explanation है

  • अगर यह capacity के बदले trade-off है, तो लगता है कि LTO जैसी chemistry को थोड़ा बदलना बेहतर नहीं होगा? हालांकि article का focus practical application से ज्यादा इस phenomenon के अस्तित्व पर लगता है
  • उस 9% वाली layer को बनाने में कितना time लगता है, यह जानना चाहूंगा

• बहुत ज्यादा discharge होकर charge न होने वाली lithium battery को मैंने एक fully charged battery से कुछ seconds जोड़कर revive किया है

  • वह chemistry से ज्यादा battery के अंदर के electronic circuit की problem है। standard battery management system (BMS) को bypass करके किसी भी power supply से force-feed किया जा सकता है
  • यह वैसा है जैसे किसी car को, जो alternator खराब समझ रही हो, दूसरी car और उसके alternator से jump-start करना
    सचमुच “risk लेकर एक दांव लगाने” जैसा है

• अगर electrode पर अच्छी SEI layer important है, तो battery assemble करने से पहले electrode पर वह layer पहले से coat क्यों नहीं कर सकते? इससे layer का form भी ज्यादा uniform बनाया जा सकता होगा

• Battery life का मतलब exactly क्या है, यह थोड़ा confusing है। capacity degradation या random failure?
  अगर यह discovery capacity degradation को धीमा करती है, लेकिन EV battery के अचानक fail होने की probability 100 गुना बढ़ा देती है, तो cost के लिहाज से यह improvement नहीं है। Consumer devices के लिए शायद ठीक हो सकता है

  • Lifetime दो तरह की होती है। shelf life और 100% तक charge करके लगभग 0% तक discharge करने वाले charge cycle की life
    अगर charge/discharge को 80/20 range में रखा जाए, तो battery life मुख्यतः shelf life से limited होती है। उदाहरण के लिए Nissan Leaf को 20~80% state-of-charge range में रखें तो शायद 20 साल चल सकती है, लेकिन हर बार DC fast charging से 100% तक भरें तो 2000 cycles, यानी लगभग 5~7 साल ही इस्तेमाल हो पाएगी

• Confusing है: यह सिर्फ prediction है या experiment से verify किया गया है?

• मुझे याद है कि एक recent paper में result था कि current को दोगुना करके 2kHz frequency की square wave से charge करने पर battery degradation लगभग गायब हो जाती है

  • इस phenomenon पर दो recent papers लगते हैं
    2021: low-frequency pulse charging https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
    2024: high-frequency pulse charging https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
    अभी ठीक से पढ़ने लायक time नहीं है, लेकिन यह काफी interesting research area है

• जैसे high-voltage electricity wood को etch करती है, वैसे ही लगता है कि microstructure को burn-in करके filament formation के लिए ज्यादा stable बनाया जा रहा है

• Summary में, high current negative electrode पर layer को थोड़ा अलग तरीके से, और जाहिर है ज्यादा जल्दी, form कराता है। पहले माना जाता था कि slow initial charging बेहतर formation बनाती है
  यह कोई fundamental discovery कम और process adjustment से incremental improvement ज्यादा लगता है

  • यह “process adjustment” हो या “असल fundamental discovery”, battery life में 50% increase तो किसी भी तरह बहुत बड़ी बात है
    हालांकि conspiracy-theory नजरिए से देखें तो कई consumer electronics manufacturers शायद इसे पसंद नहीं करेंगे। घटी हुई battery capacity replacement cycle को push करने वाला बड़ा factor होती होगी
    आजकल आम तौर पर 2~3 साल बाद phone battery capacity degradation दिखने लगती है। Phone खुद ठीक चलता है, latest model के features की खास जरूरत भी नहीं होती, और पता होता है कि सिर्फ battery बदली जा सकती है, फिर भी कभी-कभी लगता है, “battery बदलवाने से अच्छा नया phone ले लूं”
    अगर battery life 50% ज्यादा लंबी हो जाए, तो reduced battery capacity को upgrade का बहाना बनाने की नौबत शायद ही आए
  • शायद वे “negative electron” नहीं, negative electrode कहना चाहते थे