کاربن کے اخراج کو کم کرنے کی فوری ضرورت نقل و حمل کو برقی بنانے اور گرڈ پر شمسی اور ہوا سے بجلی کی تعیناتی کو وسعت دینے کی طرف تیزی سے آگے بڑھ رہی ہے۔ اگر یہ رجحانات توقع کے مطابق بڑھتے ہیں، تو برقی توانائی کو ذخیرہ کرنے کے بہتر طریقوں کی ضرورت تیز ہو جائے گی۔
ایستھر اور ہیرالڈ ای ایڈجرٹن میں میٹریل سائنس اور انجینئرنگ کی ایک ایسوسی ایٹ پروفیسر ڈاکٹر ایلسا اولیویٹی کہتی ہیں کہ ہمیں موسمیاتی تبدیلی کے خطرے سے نمٹنے کے لیے تمام حکمت عملیوں کی ضرورت ہے۔ واضح طور پر، گرڈ پر مبنی بڑے پیمانے پر ذخیرہ کرنے والی ٹیکنالوجیز کی ترقی بہت ضروری ہے۔ لیکن موبائل ایپلیکیشنز کے لیے - خاص طور پر نقل و حمل - بہت زیادہ تحقیق آج کے حالات کو اپنانے پر مرکوز ہے۔لتیم آئن بیٹریاںمحفوظ، چھوٹا اور اپنے سائز اور وزن کے لیے زیادہ توانائی ذخیرہ کرنے کے قابل ہونا۔
روایتی لتیم آئن بیٹریاں بہتر ہوتی رہتی ہیں، لیکن ان کی ساخت کی وجہ سے ان کی حدود باقی رہتی ہیں۔لیتھیم آئن بیٹریاں دو الیکٹروڈز پر مشتمل ہوتی ہیں، ایک مثبت اور ایک منفی، نامیاتی (کاربن پر مشتمل) مائع میں سینڈویچ۔ جب بیٹری چارج اور ڈسچارج ہوتی ہے، چارج شدہ لتیم ذرات (یا آئنز) مائع الیکٹرولائٹ کے ذریعے ایک الیکٹروڈ سے دوسرے الیکٹروڈ میں منتقل ہوتے ہیں۔
اس ڈیزائن کے ساتھ ایک مسئلہ یہ ہے کہ مخصوص وولٹیجز اور درجہ حرارت پر، مائع الیکٹرولائٹ غیر مستحکم ہو سکتا ہے اور آگ پکڑ سکتا ہے۔ اولیوٹی کے گروپ کے ایک ریسرچ سائنسدان ڈاکٹر کیون ہوانگ پی ایچ ڈی'15 کا کہنا ہے کہ بیٹریاں عام استعمال کے تحت عام طور پر محفوظ رہتی ہیں، لیکن خطرہ برقرار ہے۔
ایک اور مسئلہ یہ ہے کہ لیتھیم آئن بیٹریاں کاروں میں استعمال کے لیے موزوں نہیں ہیں۔ بڑے، بھاری بیٹری پیک جگہ لیتے ہیں، گاڑی کا مجموعی وزن بڑھاتے ہیں اور ایندھن کی کارکردگی کو کم کرتے ہیں۔ لیکن آج کی لیتھیم آئن بیٹریوں کو ان کی توانائی کی کثافت برقرار رکھتے ہوئے چھوٹی اور ہلکی بنانا مشکل ثابت ہو رہا ہے - فی گرام وزن میں ذخیرہ شدہ توانائی کی مقدار۔
ان مسائل کو حل کرنے کے لیے، محققین لتیم آئن بیٹریوں کی کلیدی خصوصیات کو تبدیل کر رہے ہیں تاکہ ایک تمام ٹھوس، یا ٹھوس ریاست، ورژن بنایا جا سکے۔ وہ درمیان میں مائع الیکٹرولائٹ کی جگہ ایک پتلی ٹھوس الیکٹرولائٹ لے رہے ہیں جو کہ وولٹیجز اور درجہ حرارت کی ایک وسیع رینج پر مستحکم ہے۔ اس ٹھوس الیکٹرولائٹ کے ساتھ، انہوں نے ایک اعلیٰ صلاحیت والے مثبت الیکٹروڈ اور ایک اعلیٰ صلاحیت والے لتیم دھاتی منفی الیکٹروڈ کا استعمال کیا جو عام غیر محفوظ کاربن کی تہہ سے کہیں کم موٹا تھا۔ یہ تبدیلیاں توانائی ذخیرہ کرنے کی صلاحیت کو برقرار رکھتے ہوئے مجموعی طور پر بہت چھوٹے سیل کی اجازت دیتی ہیں، جس کے نتیجے میں توانائی کی کثافت زیادہ ہوتی ہے۔
یہ خصوصیات - بہتر حفاظت اور زیادہ توانائی کی کثافت- ممکنہ سالڈ سٹیٹ بیٹریوں کے ممکنہ طور پر دو سب سے زیادہ استعمال کیے جانے والے فوائد ہیں، پھر بھی یہ تمام چیزیں منتظر اور امید کی جاتی ہیں، اور یہ ضروری نہیں کہ قابل حصول ہوں۔ بہر حال، اس امکان میں بہت سے محققین ایسے مواد اور ڈیزائنوں کو تلاش کرنے کے لیے ہچکولے کھا رہے ہیں جو اس وعدے کو پورا کریں گے۔
تجربہ گاہ سے آگے کی سوچ
محققین نے بہت سے دلچسپ منظرنامے سامنے لائے ہیں جو لیبارٹری میں امید افزا نظر آتے ہیں۔ لیکن اولیویٹی اور ہوانگ کا خیال ہے کہ موسمیاتی تبدیلی کے چیلنج کی فوری ضرورت کو دیکھتے ہوئے، اضافی عملی تحفظات اہم ہو سکتے ہیں۔ Olivetti کا کہنا ہے کہ ہم محققین کے پاس ممکنہ مواد اور عمل کا جائزہ لینے کے لیے ہمیشہ لیب میں میٹرکس ہوتے ہیں۔ مثالوں میں توانائی ذخیرہ کرنے کی گنجائش اور چارج/خارج کی شرح شامل ہو سکتی ہے۔ لیکن اگر مقصد عمل درآمد ہے، تو ہم ایسے میٹرکس کو شامل کرنے کی تجویز کرتے ہیں جو خاص طور پر تیز رفتار پیمانے کے امکانات کو حل کریں۔
مواد اور دستیابی
ٹھوس غیر نامیاتی الیکٹرولائٹس کی دنیا میں، مواد کی دو اہم اقسام ہیں - آکسیجن پر مشتمل آکسائڈز اور سلفائڈز جن میں سلفر ہوتا ہے۔ ٹینٹلم ٹن اور نیوبیم کی کان کنی کے ضمنی پروڈکٹ کے طور پر تیار کیا جاتا ہے۔ تاریخی اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ ٹن اور نیوبیم کی کان کنی کے دوران ٹینٹلم کی پیداوار جرمینیم کے مقابلے میں ممکنہ زیادہ سے زیادہ کے قریب ہے۔ لہذا ٹینٹلم کی دستیابی LLZO پر مبنی خلیوں کے ممکنہ پیمانے کے لئے ایک بڑی تشویش ہے۔
تاہم، زمین میں کسی عنصر کی دستیابی کو جاننے سے اسے مینوفیکچررز کے ہاتھ میں لینے کے لیے درکار اقدامات حل نہیں ہوتے۔ اس لیے محققین نے کلیدی عناصر کی سپلائی چین کے بارے میں ایک فالو آن سوال کی چھان بین کی - کان کنی، پروسیسنگ، ریفائننگ، ٹرانسپورٹنگ وغیرہ۔ یہ فرض کرتے ہوئے کہ وافر مقدار میں سپلائی موجود ہے، کیا ان مواد کی فراہمی کے لیے سپلائی چین کو اتنی تیزی سے بڑھایا جا سکتا ہے کہ بڑھتی ہوئی چیزوں کو پورا کیا جا سکے۔ بیٹری کی مانگ؟
ایک نمونے کے تجزیے میں، انہوں نے دیکھا کہ جرمینیئم اور ٹینٹلم کی سپلائی چین کو سال بہ سال بڑھنے کی ضرورت ہوگی تاکہ 2030 کے متوقع الیکٹرک گاڑیوں کے بیڑے کے لیے بیٹریاں فراہم کی جاسکیں۔ مثال کے طور پر، الیکٹرک گاڑیوں کا ایک بیڑا، جسے اکثر 2030 کے ہدف کے طور پر پیش کیا جاتا ہے، کو کل 100 گیگا واٹ گھنٹے کی توانائی فراہم کرنے کے لیے کافی بیٹریاں تیار کرنے کی ضرورت ہوگی۔ اس مقصد کو حاصل کرنے کے لیے، صرف LGPS بیٹریوں کا استعمال کرتے ہوئے، جرمینیئم سپلائی چین کو سال بہ سال 50% تک بڑھنے کی ضرورت ہوگی - ایک مسلسل، کیونکہ ماضی میں زیادہ سے زیادہ شرح نمو تقریباً 7% رہی ہے۔ صرف LLZO سیلز کا استعمال کرتے ہوئے، ٹینٹلم کے لیے سپلائی چین کو تقریباً 30% تک بڑھنے کی ضرورت ہوگی - جو کہ شرح نمو تقریباً 10% کی تاریخی زیادہ سے زیادہ ہے۔
ہوانگ کا کہنا ہے کہ یہ مثالیں مواد کی دستیابی اور سپلائی چین پر غور کرنے کی اہمیت کو ظاہر کرتی ہیں جب کہ مختلف ٹھوس الیکٹرولائٹس کی پیمانہ کاری کی صلاحیت کا اندازہ لگایا جاتا ہے، ہوانگ کہتے ہیں: یہاں تک کہ اگر کسی مواد کی مقدار کوئی مسئلہ نہیں ہے، جیسا کہ جرمینیم کے معاملے میں، تمام پیمانے کو بڑھانا مستقبل کی الیکٹرک گاڑیوں کی پیداوار سے مطابقت رکھنے کے لیے سپلائی چین کے اقدامات کے لیے شرح نمو درکار ہو سکتی ہے جو کہ عملی طور پر بے مثال ہے۔
مواد اور پروسیسنگ
ایک اور عنصر جس پر غور کرنا ہے جب بیٹری کے ڈیزائن کی اسکیل ایبلٹی صلاحیت کا اندازہ لگایا جائے تو وہ ہے مینوفیکچرنگ کے عمل کی دشواری اور اس کا لاگت پر پڑنے والا اثر۔ سالڈ سٹیٹ بیٹری کی تیاری میں لامحالہ بہت سے اقدامات شامل ہیں، اور کسی بھی قدم کی ناکامی سے ہر کامیابی سے تیار کردہ سیل کی قیمت بڑھ جاتی ہے۔
مینوفیکچرنگ کی دشواری کے لیے ایک پراکسی کے طور پر، Olivetti، Ceder اور Huang نے اپنے ڈیٹا بیس میں منتخب سالڈ اسٹیٹ بیٹری ڈیزائن کی کل لاگت پر ناکامی کی شرح کے اثرات کو دریافت کیا۔ ایک مثال میں، انہوں نے آکسائیڈ LLZO پر توجہ مرکوز کی۔ LLZO بہت ٹوٹ پھوٹ کا شکار ہے اور بڑی چادریں اتنی پتلی ہیں کہ اعلی کارکردگی والی سالڈ سٹیٹ بیٹریوں میں استعمال ہونے کے لیے مینوفیکچرنگ کے عمل میں شامل اعلی درجہ حرارت پر ٹوٹ پھوٹ کا امکان ہوتا ہے۔
اس طرح کی ناکامیوں کے لاگت کے مضمرات کا تعین کرنے کے لیے، انہوں نے LLZO خلیات کو جمع کرنے میں شامل چار کلیدی پروسیسنگ اقدامات کی تقلید کی۔ ہر قدم پر، انہوں نے تخمینہ شدہ پیداوار کی بنیاد پر لاگت کا حساب لگایا، یعنی کل خلیات کا تناسب جو بغیر کسی ناکامی کے کامیابی کے ساتھ پروسیس ہوئے تھے۔ LLZO کے لیے، پیداوار دیگر ڈیزائنوں کے مقابلے میں بہت کم تھی جن کا انھوں نے مطالعہ کیا تھا۔ مزید برآں، جیسا کہ پیداوار کم ہوئی، سیل انرجی کی فی کلو واٹ گھنٹے (kWh) لاگت میں نمایاں اضافہ ہوا۔ مثال کے طور پر، جب آخری کیتھوڈ ہیٹنگ سٹیپ میں 5% مزید سیلز شامل کیے گئے تو لاگت میں تقریباً $30/kWh کا اضافہ ہوا - ایک نہ ہونے کے برابر تبدیلی اس بات کو مدنظر رکھتے ہوئے کہ اس طرح کے سیلز کے لیے عام طور پر قبول کردہ ہدف لاگت $100/kWh ہے۔ واضح طور پر، مینوفیکچرنگ کی مشکلات بڑے پیمانے پر ڈیزائن کو اپنانے کی فزیبلٹی پر گہرا اثر ڈال سکتی ہیں۔
پوسٹ ٹائم: ستمبر 09-2022