आज प्रयोग हुने स्मार्टफोनदेखि इलेक्ट्रिक कार र ड्रोनसम्म मुख्यतः ‘लिथियम–आयन ब्याट्री’को प्रयोग हुन्छ । विगतका दशकमा यस ब्याट्रीको ऊर्जा घनत्वदेखि कार्यसम्पादनमा सुधार गर्न यसको डिजाइन अनगिन्ती परिवर्तन गरिए । केही वैज्ञानिकहरूले यिनमा थप सुधारको सम्भावना कम भएको बताउँन थालेका छन् । यसैले यसको विकल्पको खोजी बढेको छ ।
‘लिथियम–आयन’ ब्याट्रीका उत्कृष्ट मोडेलहरू पनि धेरै चिसो वातावरणमा काम गर्दैनन् । त्यसमाथि कहिलेकाहीँ यी ब्याट्रीमा आफैँ आगो लाग्ने गर्छ । यी दुवै समस्या तरल अवस्थाका ब्याट्रीमा प्रयोग हुने तरल इलेक्ट्रोलाइटले सिर्जना भएको हो । परम्परागत लिथियम–आयन ब्याट्री चार्ज गरिँदा सिर्जना हुने ‘आयन’ ‘क्याथोड’बाट ‘एनोड’तर्फ सर्दछ । डिस्चार्ज हुँदा फेरि आयन पुरानै अवस्थामा फर्कन्छन् । ‘आयन’हरू प्रसार सहज बनाउन प्रयोग गरिने माध्यमलाई ‘इलेक्ट्रोलाइट’ भनिन्छ । हाल प्रचलनमा रहेका तरल अवस्थाका ब्याट्रीमा ज्वलनशील, जैविक घोलकलाई यस्तो इलेक्ट्रोलाइटको रूपमा प्रयोग गरिन्छ ।
त्यसैको समाधानका रूपमा इलेफ्ट्रोलाइटमा ठोस पदार्थ प्रयोग गरिने विकल्पका रूपमा ‘सोलिड–स्टेट’(ठोस अवस्था) ब्याट्री अघि सारिएको हो । सोलिड–स्टेट ब्याट्रीहरूमा भने एनोड, क्याथोड र इलेक्ट्रोलाइटहरू ‘स्ल्याब’को रूपमा एकसाथ राखिन्छ । यसले गर्दा त्यस्ता ब्याट्रीमा प्रतिकिलोग्राम ५०० वाट घण्टा (वाट–घन्टा/केजी) सम्मको ऊर्जा घनत्व भण्डारण गर्न सकिन्छ । जबकि लिथियम–आयनमा प्रयोग हुने तरल इलेक्ट्रोलाइटमा यो करिब ३०० वाट–घन्टा/केजीको मात्र ऊर्जा घनत्व हुन्छ । त्यसमाथि तरल इलेक्ट्रोलाइटको तुलनामा सोलिड–स्टेट ब्याट्री जल्ने सम्भावना पनि कम हुन्छ ।
सोलिड–स्टेट ब्याट्री निर्माणका लागि दसकौँदेखि अध्ययन भइरहेको छ । तर, हालसम्म शरीरभित्र राखिने चिकित्सकीय ‘इम्प्लान्ट’जस्ता साना उपकरणमा मात्र यसको सफल प्रयोग हुँदै आएको छ । यी ब्याट्रीको मुख्य समस्या यसको टिकाउपनमा थियो । यी ब्याट्री चार्ज वा डिस्चार्ज गर्दा ब्याट्री फुल्ने र खुम्चने गर्छ । यसले समयक्रममा भित्री–सामग्रीबिचमा खाली ठाउँ सिर्जना गर्छ र समयअघि नै चिरा पर्ने र भाँचिन सक्छ । नभाँचिएको अवस्थामा पनि छिट्टै आयनको बहाव ढिलो हुन्छ र ब्याट्रीको कार्यसम्पादन कमजोर बन्छ ।
जनवरीमा चिनियाँ विज्ञान प्रतिष्ठानको एक एकाइ ‘सेन्जेन इन्स्टिच्युट अफ एडभान्स्ड टेक्नोलोजी’का अनुसन्धानकर्ताहरूले सोलिड–स्टेट ब्याट्रीको उल्लिखित समस्या समाधान गर्ने दिशामा ठुलो सफलता हासिल गरे । तिनले १–१०० नानोमिटर मोटाइको सेरामिक्सको निकै पातलो पत्र र उस्तै पातलो पोलिमरको पत्रलाई एकपछि अर्को जोड्दै अत्यन्त प्रभावशाली ठोस ‘इलेक्ट्रोलाइट’ बनाउन सफल भए । यी दुई पदार्थको संयोजनबाट बनेको पदार्थले ठोस अवस्थाका कुनै पनि इलेक्ट्रोलाइटमा भन्दा आयनको राम्रो प्रवाह गरेको देखियो, त्यो पनि चिरा पर्ने प्रवृत्ति धेरै कम गरेर ।
सोलिड–स्टेट(ठोस–अवस्था)का इलेक्ट्रोलाइट्सको एउटा उल्लेखनीय फाइदा, तिनले लिथियमबाहेकका अन्य सामग्रीहरूका लागि ढोका खोल्नेछन् । लिथियम–आयनको विकल्पमा अहिले सोडियम–आयन ब्याट्रीप्रति विशेष आकर्षण छ, जहाँ क्याथोडमा लिथियमको स्थानमा सोडियम राखिन्छ । सोडियम तत्व लिथियमभन्दा सस्तो र स्थिर त हुन्छ नै, साथमा यो प्रकृतिमा प्रचुर मात्रामा पाइन्छ । पृथ्वीको सतहमा लिथियभन्दा सोडियम १,००० गुणा बढी पाइन्छ ।
दुर्भाग्यवश सोडियम परमाणु लिथियमको तुलनामा ठुला र भारी हुन्छन् । त्यस्तै, यो सोडियम परम्परागत ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडहरूमा सम्मिलित गर्न कठिन हुन्छ । परिणामस्वरूप अहिले बनेका सोडियम हायन ब्याट्री भारी हुन्छन् र तिनले कम ऊर्जा भण्डारण गर्न सक्छ । यद्यपि, राम्रो इलेक्ट्रोडको चयन गर्न सके स्थिति सुधारिन सक्छ । एउटा विकल्प कडा कार्बन हो । यसको ‘स्पन्ज’जस्तो संरचनाले सहजै सोडियम आयन अवशोषित गर्न सक्छ । अझ यसले ग्रेफाइटले भन्दा राम्रो प्रदर्शन गर्दछ ।
ठोस अवस्थामा रहने सोडियम–आयन ब्याट्रीको क्षमता सुधार गर्न अनुसन्धानकर्ताहरूले एनोडलाई नै पूर्ण रूपमा हटाउने दिशामा पनि प्रयोग गरिरहेका छन् । एनोड हटाउन सकियो भने ब्याट्रीमा बाक्लो क्याथोड राख्ने ठाउँ सिर्जना हुन्छ । फलस्वरूप ब्याट्रीको ऊर्जा भण्डारण क्षमता बढ्न सक्छ । पछिल्लो समय सोलिड–स्टेट ब्याट्रीको विकासमा भएको तीव्र प्रगति सस्तो, किफायती ब्याट्री विकास गर्ने विश्वव्यापी प्रतिस्पर्धाको प्रतिफल हो । यस प्रतिस्पर्धाले ब्याट्रीहरू निर्माण गर्ने तरिकामा पनि क्रान्तिकारी परिवर्तन ल्याउन सक्छ ।
परीक्षणले सुक्खा पाउडरको प्रयोगले ब्याट्रीहरूले गर्ने ऊर्जा प्रयोग लगभग आधा घट्ने र उत्पादन लागत झन्डै २० प्रतिशतले घट्ने देखाएको छ । यसले समग्र कार्यसम्पादन बढाउँछ । अहिले अमेरिकी विद्युतीय वाहन(इभी) तथा ब्याट्री निर्माता टेस्ला र दक्षिण कोरियाली ब्याट्री निर्माता कम्पनी एलजी इनर्जी सोलुसनसहित धेरै कम्पनीले यस क्षेत्रमा पहिलो हुन प्रतिस्पर्धा गरिरहेका छन् ।
पछिल्ला विकासक्रमले महत्वाकांक्षी वाचाहरू पूरा गर्न सक्ने सम्भावना देखाएको छ । विश्वको सबैभन्दा ठुलो ब्याट्री निर्माता कम्पनी चीनको कन्टेम्पोररी एम्पेरेक्स टेक्नोलोजी (सिएटिएल)ले सन् २०२७ सम्ममा सोलिड–स्टेट ब्याट्रीको ठुलो स्तरको उत्पादन गर्ने योजना बनाएको छ । कम्पनीले यही वर्षको मध्यसम्ममा विद्युतीय कारमा प्रयोग हुने केही सोडियम–आयन ब्याट्री निर्माण गरिसक्ने वाचा गरेको छ ।
दक्षिण कोरियाली इलेक्ट्रोनिक्स कम्पनी सामसुङले पनि सन् २०२७ सम्ममा यस्तै ब्याट्री ठुलो परिणाममा उत्पादन गर्ने बताएको छ । उता जापानी कार निर्माता टोयोटाले पनि यस्तै प्रतिबद्धता जनाएको छ । अमेरिकी कार निर्माता फोर्ड मोटर्सले यसै महिना सोलिड–स्टेट ब्याट्री बनाउने एकाइ सुरु गरेको छ । सो कम्पनीले अर्को वर्षसम्ममा डाटा सेन्टर र औद्योगिक व्यवसायहरूका लागि ठुलो मात्रामा ब्याट्री डेलिभर सुरु गर्ने योजना बनाएको छ । समग्रमा सोलिड–स्टेट ब्याट्री सस्तो, छिटो चार्ज हुने र सुरक्षित हुनेछन् । यसले गर्दा विद्युतीय वाहनको मूल्य घट्नेछ । र, नेट जिरो कार्बन उत्सर्जनको लक्ष्य हासिल गर्ने गरी कारको अवलम्बन बढ्न सक्छ । यी विकासक्रमले स्वच्छ विद्युतीकरणतर्फ आशा जगाएको छ ।
अनुवाद : श्रवण उप्रेती
