के ‘हावामा श्वास फेर्ने’ ब्याट्रीले साँच्चै ईभीलाई २,००० किलोमिटर रेन्ज दिन सक्छ?

विद्युतीय सवारीसाधनको यात्रा क्षमता दुई हजार किलोमिटरसम्म पुर्‍याउन सक्ने भनिएको ‘हावामा श्वास फेर्ने’ लिथियम-एयर ब्याट्री प्रविधि चर्चामा रहे पनि यसको व्यावसायिक उत्पादन र वास्तविक गाडीमा प्रयोगका लागि अझै वर्षौंको प्राविधिक अनुसन्धान र कठिन चुनौतीहरू पार गर्न बाँकी छ।

काठमाडाैँ । विद्युतीय सवारीसाधनको क्षेत्रमा पछिल्लो समय चर्चामा आएको ‘हावामा श्वास फेर्ने’ वा लिथियम-एयर ब्याट्री प्रविधिले गाडीको यात्रा क्षमता (रेन्ज) एकै पटक दुई हजार किलोमिटरसम्म पुर्‍याउन सक्ने सम्भावना देखाएको छ।

चिनियाँ प्रविधि संस्था ‘आईटी होम’ को एक रिपोर्टले यो विषयलाई फेरि एकपटक प्रविधि जगत्मा बहसमा ल्याएको छ। यस रसायनको सैद्धान्तिक विशिष्ट ऊर्जा प्रायः प्रति किलोग्राम ३,५०५ वाट-घण्टाको हाराहारीमा हुने बताइएको छ, जसले ठोस-अवस्था (सोलिड-स्टेट) ब्याट्रीको तुलनामा पाँच गुणा बढी ऊर्जा घनत्व दिन सक्ने दाबी गरिएको छ।

यद्यपि, यो आँकडाले पूर्ण अटोमोटिभ ब्याट्रीको वास्तविक प्रदर्शनलाई नभई केवल इलेक्ट्रोकेमिकल सम्भाव्यतालाई मात्र प्रतिनिधित्व गर्छ।

चिनियाँ ब्याट्री उत्पादक कम्पनी सीएटीएलको नाम यो प्रविधिसँग जोडिनुको मुख्य कारण कम्पनीका मुख्य वैज्ञानिक वु काई हुन्। हालै सम्पन्न सन् २०२६ को इक्विपमेन्ट पावरहाउस फोरममा उनले लिथियम-एयर प्रविधिलाई दीर्घकालीन अनुसन्धानको एक मुख्य दिशाको रूपमा पहिचान गरेका थिए।

यसअघि पनि सार्वजनिक भएका जानकारीहरू अनुसार, सीएटीएलको विस्तृत ब्याट्री रोडम्यापमा सोडियम-आयन र अल-सोलिड-स्टेट प्रविधिहरू व्यावसायिकताको धेरै नजिक पुगिसकेका छन्, जबकि लिथियम-एयर अझै पनि लामो अवधिको अनुसन्धानको चरणमै सीमित छ।

कम्पनीले हालसम्म दुई हजार किलोमिटर रेन्ज दिने कुनै पनि उत्पादन-कारको लक्ष्य वा यसको व्यावसायिक सुरुवातको आधिकारिक समयतालिका घोषणा गरेको छैन। सैद्धान्तिक ऊर्जा घनत्व र वास्तविक अटोमोटिभ प्रदर्शनबीचको खाडल अझै निकै ठूलो छ, जसमा अक्सिजन व्यवस्थापन, रासायनिक स्थिरता, रिचार्जबारिता र सहायक उपकरणसम्बन्धी जटिल इन्जिनियरिङ अवरोधहरू पार गर्न बाँकी नै छन्।

लिथियम-एयर ब्याट्रीले कसरी काम गर्छ?

परम्परागत लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूले दुई वटा इलेक्ट्रोडभित्र लिथियम भण्डारण गर्छन्, जहाँ ब्याट्री चार्ज र डिस्चार्ज हुँदा एनोड र क्याथोडबीच लिथियम आयनहरू यताउता सर्छन्। तर, लिथियम-एयर ब्याट्रीहरूले पूर्ण रूपमा फरक विधि अपनाउँछन्।

यसमा नकारात्मक इलेक्ट्रोडको रूपमा धातु लिथियम र सकारात्मक रियाक्टेन्टको रूपमा ब्याट्रीबाहिरको वातावरणबाट लिइने अक्सिजन प्रयोग गरिन्छ। जब ब्याट्री डिस्चार्ज हुन्छ, तब लिथियमले पोरोस अर्थात् छिद्रयुक्त क्याथोडभित्र अक्सिजनसँग प्रतिक्रिया गरेर लिथियम पेरोक्साइड बनाउँछ।

यसको ठीक विपरीत, ब्याट्री चार्ज गर्ने क्रममा यो प्रतिक्रिया उल्टिन्छ, जसले अक्सिजन बाहिर छोड्छ र लिथियम आयनहरूलाई पुनः एनोडतर्फ फर्काउँछ। परम्परागत क्याथोड सामग्रीभित्र सकारात्मक रियाक्टेन्ट पहिले नै भण्डारण गर्नुको साटो बाह्य वातावरणबाट अक्सिजन तानिने हुनाले यस रसायनले उच्च सैद्धान्तिक विशिष्ट ऊर्जा प्राप्त गर्न सक्छ।

प्रायः उल्लेख गरिने प्रति किलोग्राम ३,५०५ वाट-घण्टाको तथ्याङ्क यही सैद्धान्तिक लिथियम-पेरोक्साइड प्रतिक्रियासँग सम्बन्धित छ, जसमा अक्सिजन रियाक्टेन्टको पिण्ड पनि जोडिएको हुन्छ। यसबाहेक, अक्सिजनको पिण्डलाई नै गणनाबाट पूर्ण रूपमा बाहिर राख्दा प्रति किलोग्राम १२,००० वाट-घण्टासम्म पुग्ने अझ उच्च आँकडाहरू पनि देखिन्छन्।

तर, यी दुवैमध्ये कुनै पनि आँकडाले पूर्ण अटोमोटिभ ब्याट्री प्याकको वास्तविक ऊर्जा घनत्वलाई प्रतिनिधित्व गर्दैनन्। वास्तवमा इलेक्ट्रोलाइट्स, इलेक्ट्रोडहरू, सुरक्षात्मक कम्पोनेन्टहरू र हावा व्यवस्थापनका लागि चाहिने उपकरणहरूले ब्याट्रीमा थप तौल र आयतन बढाउँछन्।

प्रयोगशालाका प्रगति

अटोमोटिभ क्षेत्रमा लिथियम-एयर ब्याट्रीप्रतिको चासो सीएटीएलको हालैको अनुसन्धानभन्दा निकै पुरानो इतिहास बोकेको विषय हो। अमेरिकी प्रविधि दिग्गज आईबीएमले सन् २००९ मा आफ्नो बहुचर्चित ‘ब्याट्री ५००’ परियोजना सुरु गरेको थियो, जसको मुख्य लक्ष्य एक पटकको चार्जमा विद्युतीय कारलाई ८०५ किलोमिटर वा ५०० माइल दूरी पार गराउन सक्षम मेटल-एयर ब्याट्री बनाउनु थियो।

उक्त बहुराष्ट्रिय अनुसन्धान कार्यक्रममा थुप्रै शैक्षिक तथा औद्योगिक साझेदारहरू संलग्न भए पनि त्यसले व्यावसायिक रूपमा बजारमा बिक्री गर्न मिल्ने कुनै पनि अटोमोटिभ ब्याट्री उत्पादन गर्न भने सकेन।

यसपछिका वर्षहरूमा भएका आधुनिक अनुसन्धानहरूले लिथियम-एयर ब्याट्रीका रासायनिक सीमाहरूलाई सुधार्ने प्रयास गरेका छन्, विशेष गरी छिद्रयुक्त क्याथोडभित्र डिस्चार्ज हुँदा जम्मा हुने अवशेषहरूलाई हटाउने विषयमा वैज्ञानिकहरूको ध्यान केन्द्रित छ।

चीनको विज्ञान र प्रविधि विश्वविद्यालयका प्राध्यापक पेङ टान लगायतका अनुसन्धानकर्ताहरूले सन् २०२५ मा गरेको एक अध्ययनले इलेक्ट्रोलाइटको अक्सिजन-ट्रान्सपोर्ट गुणहरूले लिथियम-अक्सिजन ब्याट्रीभित्रको प्रतिक्रिया संयन्त्रलाई कसरी प्रभावित गर्छन् भन्ने पक्षलाई गहिरो रूपमा विश्लेषण गरे।

बाक्लो इलेक्ट्रोडहरूको प्रयोग गरेर उनीहरूले मास-ट्रान्सफर प्रतिरोधले इलेक्ट्रोडका विभिन्न भागहरूमा प्रतिक्रिया मार्गहरू कसरी बदल्न सक्छ भनेर देखाए। यो अध्ययनले इलेक्ट्रोड डिजाइनबारे महत्त्वपूर्ण जानकारी दिए पनि क्याथोडमा हुने अवरोध हटाउने कुनै ठोस अटोमोटिभ समाधान भने दिन सकेको छैन।

यसै गरी, जिलिन विश्वविद्यालय र चिनियाँ एकेडेमी अफ साइन्सेजसँग आबद्ध अनुसन्धानकर्ताहरूले अर्को उल्लेखनीय सफलता हासिल गरे। ‘एडभान्स्ड इनर्जी मटेरियल्स’ नामक जर्नलमा सन् २०२४ मा प्रकाशित एक अध्ययनले इन-सिटु जेल्ड पोलिमर इलेक्ट्रोलाइटको प्रयोग गरी प्रति किलोग्राम ७५७.५ वाट-घण्टा ऊर्जा हासिल गर्न सफल अप्टिमाइज्ड लिथियम-एयर पोरोच-सेल कन्फिगरेसनको विवरण सार्वजनिक गर्‍यो।

उनीहरूले प्रति ग्राम ५०० मिलिएम्पियर र प्रति घण्टा १,००० मिलिएम्पियर-आवरको तोकिएको प्रयोगशाला सर्तहरूमा २४१ वटा साइकलहरू पनि सफलतापूर्वक प्रदर्शन गरे। यद्यपि, यो पूर्ण रूपमा प्रयोगशालाको नतिजा मात्र हो, जसलाई व्यावसायिक रूपमा प्रमाणित अटोमोटिभ ब्याट्री-प्याक रेटिङ मान्न सकिंदैन।

अर्कोतर्फ, इलिनोइस इन्स्टिच्युट अफ टेक्नोलोजी र आर्गोन नेशनल ल्याबोरेटरीका अनुसन्धानकर्ताहरूले सन् २०२३ मा ‘साइन्स’ पत्रिकामा अर्को छुट्टै दृष्टिकोण प्रस्तुत गरे। उनीहरूको सोलिड-स्टेट लिथियम-एयर आर्किटेक्चरले परम्परागत लिथियम-पेरोक्साइड मार्गको सट्टा लिथियम अक्साइड बनाउन चार-इलेक्ट्रोन प्रतिक्रियाको प्रयोग गर्‍यो, जसले कोठाको तापक्रममा कम्तीमा पनि एक हजार चार्ज-डिस्चार्ज साइकलहरू पूरा गर्न सफल भयो।

यसको सैद्धान्तिक ऊर्जा-घनत्व सम्भाव्यता प्रति किलोग्राम १,२०० वाट-घण्टा अनुमान गरिएको थियो, तर यो पनि बजारमा बिक्री हुने कुनै कमर्सियल सेलको प्रत्यक्ष मापन गरिएको रेटिङ होइन। यी सबै प्रयोगशालाका नतिजाहरूले सैद्धान्तिक गणनाभन्दा निकै अगाडि बढेको प्रगति देखाए तापनि फरक-फरक रसायनहरू, भिन्न सञ्चालन वातावरणहरू र मापनका सीमाहरूले गर्दा यिनीहरूको प्रत्यक्ष तुलना गर्न अत्यन्त कठिन हुन्छ।

यीमध्ये कसैले पनि बजारमा तुरुन्तै प्रयोग गर्न सकिने उत्पादन-तयार प्यासेन्जर-कार ब्याट्री प्रमाणित गरेका छैनन्।

प्रमुख इन्जिनियरिङ अवरोध

विद्युतीय सवारीसाधनहरूमा लिथियम-एयर ब्याट्री सफलतापूर्वक प्रयोग गर्नका लागि इन्जिनियरिङ क्षेत्रमा मुख्यतया तीनवटा ठूला अवरोधहरू रहेका छन्। पहिलो चुनौती हावाको व्यवस्थापनसँग जोडिएको छ, जसले ब्याट्रीमा अतिरिक्त तौल र जटिलता थप्छ।

लिथियम-एयर ब्याट्रीलाई काम गर्नका लागि बाह्य अक्सिजन त आवश्यक पर्छ नै, तर त्यससँगै आर्द्रता र कार्बनडाइअक्साइडको संसर्गलाई पनि कडाइका साथ सीमित गर्नुपर्ने हुन्छ। यदि यी दूषित तत्त्वहरू ब्याट्रीभित्र प्रवेश गरे भने तिनले अवाञ्छित रासायनिक प्रतिक्रियाहरू निम्त्याउँछन् जसले लिथियम एनोड, इलेक्ट्रोलाइट र क्याथोडलाई पूर्ण रूपमा नष्ट गर्न सक्छन्।

उदाहरणका लागि, ओसिलोपनले धातु लिथियमसँग खतरनाक प्रतिक्रिया गर्न सक्छ भने कार्बनडाइअक्साइडले लिथियम कार्बोनेट बनाउन सक्छ। छिद्रयुक्त क्याथोडभित्र यस्ता निक्षेपहरू जम्मा हुँदा त्यसले अक्सिजनको आवातजावतमा रोक लगाउँछ र ब्याट्रीको प्रयोगयोग्य क्षमता ह्वात्तै घटाइदिन्छ।

तसर्थ, कुनै पनि अटोमोटिभ प्रणालीमा नियन्त्रित हावाको प्रवेश, उन्नत फिल्टरेशन, आर्द्रता व्यवस्थापन प्रणाली र सम्भवतः थप ग्यास-ह्यान्डलिङ उपकरणहरूको अनिवार्य आवश्यकता पर्न जान्छ। यी सबै अतिरिक्त कम्पोनेन्टहरूले सवारीसाधनमा तौल र आयतन मात्र थप्दैनन्, बरु ऊर्जा पनि उत्तिकै खपत गर्छन्।

‘जर्नल अफ इनर्जी स्टाेरेज’ मा प्रकाशित सन् २०२३ को एक अध्ययनले लिथियम-एयर गाडीहरूको लागि मेकानिकल ब्यालेन्स-अफ-प्लान्ट प्रणालीहरूको प्रस्ताव गर्दै, यस्ता सहायक उपकरणहरूले मात्रै पनि गाडीको कुल ब्याट्री पावरको ५.४ प्रतिशत हिस्सा खपत गर्न सक्ने अनुमान गरेको थियो।

यो आँकडा गाडीको डिजाइनअनुसार फरक हुन सक्छ, तर यसले गाडीभित्र लिथियम-एयर सेलहरू सञ्चालन गर्दा हुने अतिरिक्त ऊर्जाको मागलाई राम्रोसँग प्रस्ट्याउँछ।

दोस्रो ठूलो अवरोध भनेको ब्याट्रीको रिचार्जबारिता र समग्र कार्यदक्षता कायम राख्नु हो। ब्याट्री चार्ज गर्ने क्रममा क्याथोडमा जम्मा भएको लिथियम पेरोक्साइडलाई पूर्ण रूपमा हटाउनै पर्छ। डिस्चार्ज हुँदा घटेको रासायनिक प्रतिक्रियालाई उल्ट्याउन अतिरिक्त ऊर्जाको आवश्यकता पर्छ र यस प्रक्रियामा अत्यधिक प्रतिक्रियाशील अक्सिजन प्रजातिहरू उत्पन्न हुन सक्छन् ।

जसले इलेक्ट्रोलाइट र सेलका अन्य महत्त्वपूर्ण कम्पोनेन्टहरूलाई क्षति पुर्‍याउन सक्छन्। यस्ता सहायक प्रतिक्रियाहरूले ब्याट्रीको क्षमतामा लगातार ह्रास ल्याउँछन् र यसको साइकल आयु सीमित गरिदिन्छन्।

त्यस्तै, बारम्बार लिथियम जम्मा हुने र बाहिरिने क्रममा लिथियम-मेटल एनोडहरूमा पनि गम्भीर किसिमको अस्थिरता उत्पन्न हुन्छ। यसको अर्थ उच्च प्रारम्भिक ऊर्जा घनत्व हुँदैमा सयौं वा हजारौं चक्रसम्म ब्याट्रीले भरपर्दो प्रदर्शन दिन्छ भन्ने कुनै पक्कापक्की ग्यारेन्टी हुँदैन। कम राउन्ड-ट्रिप दक्षताले कुनै निश्चित मात्रामा प्रयोगयोग्य बिजुली पाउनका लागि अझ बढी ऊर्जा खपत गराउँछ।

यसरी हुने ऊर्जाको नोक्सानीमध्ये केही हिस्सा तातोको रूपमा बाहिरिन्छ, जसले ब्याट्रीको थर्मल-व्यवस्थापनको मागलाई अझ बढाउँछ, जबकि हावा-ह्यान्डलिङ उपकरणहरूले थप परजीवी ऊर्जा खपत गराइरहेका हुन्छन्। तसर्थ, शीतलन आवश्यकताहरूलाई ब्याट्रीको समग्र तौल, आयतन र सवारीसाधनको दक्षतासँगै जोडेर गम्भीर रूपमा विचार गर्नुपर्ने हुन्छ।

तेस्रो र अन्तिम अवरोध भनेको उच्च ऊर्जा घनत्वले मात्र गाडीको वास्तविक सडक प्रदर्शनको ग्यारेन्टी नदिनु हो। विशिष्ट ऊर्जाले ब्याट्रीले प्रति इकाई पिण्डमा कति ऊर्जा सञ्चित गर्न सक्छ भनेर माग्छ भने भोमेट्रिक ऊर्जा घनत्वले यो निश्चित ठाउँभित्र कति ऊर्जा अटाउन सक्छ भन्ने कुरा देखाउँछ।

यसका साथै, पावर घनत्वले ब्याट्रीले कति छिटो त्यो ऊर्जा बाहिर पठाउन सक्छ भन्ने निर्धारण गर्छ। एक राम्रो प्यासेन्जर कारलाई यी तीनै प्रकारका घनत्वहरू एकसाथ आवश्यक पर्छन्। यदि कुनै ब्याट्रीमा असाधारण विशिष्ट ऊर्जा त छ तर यसको पावर आउटपुट निकै कमजोर छ वा यसको भोमेट्रिक घनत्व निकै कम छ भने त्यो कुनै पनि कार प्लेटफर्मका लागि स्वतः उपयुक्त हुन सक्दैन।

गाडीलाई उपलब्ध गराइएको सीमित ठाउँभित्र फिट हुँदै प्रवेग बढाउन, ओभरटेक गर्न र लामो समयसम्म निरन्तर गतिमा कुद्नका लागि पर्याप्त शक्ति दिन सक्नुपर्छ। यहाँसम्म कि ब्याट्री साट्ने (स्वापिङ) प्रविधिले पनि यी आधारभूत रासायनिक सीमितताहरूलाई समाधान गर्न सक्दैन।

यद्यपि स्वापिङ प्रविधिले सवारीसाधन र चार्जिङ स्टेसनहरूबीच ब्याट्री प्याकहरू फेर्न त सक्छ, तर यसले ब्याट्रीभित्र भइसकेको रासायनिक विघटनलाई उल्ट्याउन, क्षतिग्रस्त भइसकेका इलेक्ट्रोलाइटहरू पुनर्स्थापित गर्न वा डिग्रेडेड इलेक्ट्रोडभित्र जम्मा भइसकेका अपरिवर्तनीय निक्षेपहरूलाई हटाउन कुनै मद्दत गर्दैन।

सोलिड-स्टेट अनुसन्धान र भविष्य

ठोस-अवस्था ब्याट्रीहरूसँगको सम्बन्धलाई हेर्दा, लिथियम-एयर ब्याट्रीहरू केवल सोलिड-स्टेट ब्याट्रीका परम्परागत प्रतिस्पर्धी मात्र होइनन्। वैज्ञानिकहरूले लिथियम एनोडको सुरक्षा गर्न र इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाहरूलाई स्थिर राख्नका लागि लिथियम-एयर आर्किटेक्चरभित्रै ठोस इलेक्ट्रोलाइटहरूको समेत गहिरो अनुसन्धान गरिरहेका छन्।

आर्गोन र इलिनोइस टेकको अनुसन्धानले पोलिमर म्याट्रिक्समा इम्बेड गरिएका लिथियम-युक्त नानोएकाइलहरूमा आधारित कम्पोजिट ठोस इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गरेर यस्तै एक महत्त्वपूर्ण दृष्टिकोण प्रदर्शन गरेको छ। तर, यसले गार्नेट एलएलजेडओ जस्ता कुनै विशेष सिरेमिक सामग्री लिथियम-एयर प्रविधिका लागि विश्वव्यापी रूपमा अनिवार्य पूर्वशर्त नै हो भनेर भने स्थापित गर्दैन।

समग्रमा भन्दा, लिथियम-एयर ब्याट्रीहरू र परम्परागत सोलिड-स्टेट लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू आधारभूत रूपमा पूर्णतया भिन्न प्रविधिहरू हुन्।

सीएटीएलका लागि निकट भविष्यका विकास प्राथमिकताहरूमा अझै पनि सोडियम-आयन र अल-सोलिड-स्टेट ब्याट्रीहरू नै पहिलो स्थानमा छन्। प्यासेन्जर कारहरूका लागि लिथियम-एयर प्रविधिको व्यावसायिक उपयुक्तता निश्चित हुनुअघि यसको स्थायित्व, पावर आउटपुट, हावा व्यवस्थापन, दक्षता र पूर्ण-प्रणाली प्याकेजिङको क्षेत्रमा ठूलो र लामो प्राविधिक प्रगति हासिल गर्न बाँकी नै छ।

कतिपय सन्दर्भमा उच्च-उचाइमा लामो समयसम्म आकाशमा टिक्ने चालक दलविहीन विमानहरूका लागि यस्ता उच्च-विशिष्ट-ऊर्जा ब्याट्रीहरूको सम्भावित प्रयोगबारे चर्चा हुने गरेको भए पनि, त्यसलाई सीएटीएलको कुनै पुष्टि भइसकेको व्यावसायिक कार्यक्रमसँग जोडेर भ्रमित हुनु हुँदैन।

हालका लागि, दुई हजार किलोमिटर रेन्ज दिन सक्ने दाबीहरूले सीएटीएलले पहिले नै व्यावहारिक रूपमा प्रमाणित गरिसकेको कुनै अटोमोटिभ क्षमतालाई नभई केवल एक सैद्धान्तिक सम्भावनालाई मात्र संकेत गर्छन्।

लिथियम-एयर प्रविधिको यो असाधारण इलेक्ट्रोकेमिकल सम्भाव्यतालाई एउटा टिकाउ, बारम्बार चार्ज गर्न मिल्ने र व्यावहारिक सवारी साधन ब्याट्रीमा रूपान्तरण गर्नु अझै पनि वैज्ञानिक जगतसामु खडा भएको सबैभन्दा जटिल र कठिन कार्य बनेको छ।