लिथियम-आयन बैटरियों के लिए एक संपूर्ण मार्गदर्शिका: पावर, उपभोक्ता और ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोग

लिथियम-आयन बैटरियों को उनके अनुवर्ती अनुप्रयोगों के आधार पर छोटी उपभोक्ता लिथियम बैटरियों (3C), पावर लिथियम-आयन बैटरियों और बड़ी ऊर्जा भंडारण बैटरियों में विभाजित किया जा सकता है।

I. पावर बैटरी

पावर बैटरी ऐसी बैटरी होती है जो उपकरणों को ऊर्जा प्रदान करती है, और वर्तमान में लिथियम-आयन बैटरी के लिए तीव्रता से बढ़ रहे अनुप्रयोग क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करती है। इनका उपयोग नई ऊर्जा वाहनों, पावर टूल्स, इलेक्ट्रिक साइकिल आदि में व्यापक रूप से किया जाता है। पावर बैटरी ऊर्जा भंडारण बैटरी का एक प्रकार भी है, जिसका उपयोग मुख्यतः विद्युत वाहनों में किया जाता है। ऑटोमोबाइल के आकार और वजन की सीमाओं के साथ-साथ त्वरण की आवश्यकताओं के कारण, पावर बैटरी की आवश्यकताएं सामान्य ऊर्जा भंडारण बैटरी की तुलना में अधिक कठोर होती हैं। इन आवश्यकताओं में उच्च ऊर्जा घनत्व, तेज चार्जिंग गति और बड़ी डिस्चार्ज धाराएं शामिल हैं, जबकि सामान्य ऊर्जा भंडारण बैटरी में ऐसी कठोर आवश्यकताएं नहीं होती हैं।

1. उत्पाद की विशेषताएं:

पावर-प्रकार के लिथियम-आयन बैटरी के लिए, दीर्घकालिक आवश्यकताओं (कम से कम 5-10 वर्ष) को ध्यान में रखते हुए चार्जिंग गति, ड्राइविंग रेंज, विश्वसनीयता और स्थिरता के बारे में अधिक विचार किए जाने की आवश्यकता होती है। ऊर्जा घनत्व: बैटरी पैक एक कार के वजन का लगभग 25% हिस्सा बनाता है, और बैटरी के वजन में बदलाव सीधे वाहन की ऊर्जा खपत को प्रभावित करता है। एक ही मात्रा में चार्ज के लिए, उच्च ऊर्जा घनत्व वाला बैटरी पैक लंबी ड्राइविंग रेंज का परिणाम देता है। चार्जिंग गति: चार्जिंग गति वर्तमान पावर बैटरी के लिए एक महत्वपूर्ण संकेतक भी है। प्रमुख बैटरी निर्माता वर्तमान में उपयोगकर्ता के प्रतीक्षा समय को कम करने के लिए 4C से 6C, या उससे भी अधिक चार्जिंग दर के डिज़ाइन पर काम कर रहे हैं। सुरक्षा और स्थिरता: पावर वाहन बैटरी पैक में श्रृंखला और समानांतर में जुड़ी हुई बड़ी संख्या में बैटरियों का उपयोग होता है। आदर्श रूप से, पावर बैटरी के खराब होने की संभावना (सुरक्षा, भंडारण, चक्र जीवन, आदि) एक अरब में एक से कम होनी चाहिए। यदि यह संभावना लगातार कम रहती है, तो उपयोग के दौरान बैटरी पर अतिचार्जिंग और अतिस्खलन की संभावना होती है, जिससे सुरक्षा संबंधी समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं।

2. धनात्मक इलेक्ट्रोड का प्रकार:

वर्तमान में, बाजार में मुख्य प्रकार की पावर बैटरियाँ तीन-तत्व लिथियम बैटरी, LiFePO4 बैटरी और LiMn2O4 बैटरी शामिल हैं। समग्र पावर बैटरी अनुकूलता के मामले में, तीन-तत्व लिथियम बैटरी और LiFePO4 बैटरी बाजार में प्रबल हैं। बेशक, पावर बैटरी क्षेत्र में एक अन्य कैथोड सामग्री जिस पर ध्यान देने योग्य है, वह है NCA (निकल-कोबाल्ट-एल्युमीनियम) (8:1.5:0.5), जिसमें उच्च एकल-सेल ऊर्जा घनत्व होता है लेकिन प्रवेश द्वार की बाधा भी बहुत अधिक होती है।

द्वितीय. उपभोक्ता बैटरियाँ

उपभोक्ता बैटरियाँ लिथियम-आयन बैटरियों के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण अनुप्रयोग क्षेत्र हैं। उपभोक्ता लिथियम-आयन बैटरियों का उपयोग मुख्य रूप से मोबाइल फोन, लैपटॉप, डिजिटल कैमरे, डिजिटल कैमकॉर्डर, पावर बैंक और इलेक्ट्रिक खिलौनों जैसे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों में, जिन्हें "3C उत्पाद" कहा जाता है, लिथियम बैटरी सेल और मॉड्यूल के लिए किया जाता है। इन्हें मुख्य रूप से बेलनाकार, प्रिज्मैटिक और पाउच बैटरियों में वर्गीकृत किया जाता है। बेलनाकार लिथियम बैटरियों का व्यास अधिक होता है, जिससे अंतिम उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों की मोटाई सीमित हो जाती है; प्रिज्मैटिक लिथियम बैटरियों की आकृति डिज़ाइन के लिहाज से अपेक्षाकृत निश्चित होती है और उन्हें पतला बनाना कठिन होता है। इसलिए, इन दोनों प्रकार की लिथियम बैटरियों में से कोई भी कुछ उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों की पतली, हल्की और परिवर्तनशील आकार वाली बैटरियों की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती है। पॉलिमर पाउच लिथियम बैटरियों में आवास के रूप में एल्युमीनियम-प्लास्टिक फिल्म का उपयोग किया जाता है, जिससे वे हल्की, सुरक्षित होती हैं और अधिक लचीले डिज़ाइन विकल्प प्रदान करती हैं तथा उच्च ऊर्जा घनत्व रखती हैं, जिससे वे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों की पतली, हल्की, परिवर्तनशील आकार और सुरक्षित बैटरियों की आवश्यकताओं के लिए अधिक उपयुक्त होती हैं। इसलिए, वर्तमान में पॉलिमर पाउच लिथियम बैटरी उपभोक्ता लिथियम बैटरी का सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला प्रकार है। उपभोक्ता बैटरी उद्योग परिपक्व हो चुका है, और समग्र मांग अपेक्षाकृत स्थिर है।

1. उत्पाद की विशेषताएं:

उपभोक्ता लिथियम-आयन बैटरियों के उपयोग की अपेक्षाकृत कम कठोर शर्तें होती हैं और दीर्घकालिक विश्वसनीयता की आवश्यकता नहीं होती। इनका उपयोग आमतौर पर अकेले किया जाता है तथा अन्य बैटरियों के साथ जोड़े में उपयोग करने की आवश्यकता नहीं होती, इसलिए सुसंगतता की आवश्यकता बहुत अधिक नहीं होती। हालाँकि, मोबाइल फोन और टैबलेट जैसे उपभोक्ता उत्पादों में सीमित स्थान और उसकी महत्वपूर्ण प्रकृति के कारण, उपभोक्ता लिथियम-आयन बैटरियों के लिए आकार, क्षमता और ऊर्जा घनत्व के मामले में सख्त आवश्यकताएँ होती हैं। उच्च-स्तरीय उपभोक्ता बैटरियाँ सबसे उन्नत तकनीकों और सामग्री का उपयोग करती हैं, जबकि पावर बैटरियों के लिए अधिक उन्नत प्रक्रिया नियंत्रण, सुसंगतता नियंत्रण और गुणवत्ता प्रबंधन की आवश्यकता होती है। उपभोक्ता उत्पादों के लिए चक्र जीवन की आवश्यकताएँ पावर बैटरियों और ऊर्जा भंडारण की तुलना में इतनी लंबी नहीं होतीं। उदाहरण के लिए, 2-3 वर्षों के उपयोग के बाद, हम पाते हैं कि एक मोबाइल फोन की बैटरी क्षमता घटकर 80% रह गई है, जिसका मुख्य कारण यह है कि अधिकांश मोबाइल फोन को दिन में एक या दो बार चार्ज किया जाता है। इसका अर्थ है कि फोन की क्षमता 3 वर्षों से भी कम समय में 80% से नीचे गिर जाती है, जिस बिंदु पर या तो बैटरी या फोन को बदलने की आवश्यकता होती है।

2. धनात्मक इलेक्ट्रोड का प्रकार:

लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LCO) अभी भी उपभोक्ता बैटरी बाजार पर हावी है। जबकि त्रिमुखी NCM (नॉन-लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड) उच्च विशिष्ट क्षमता प्रदान करता है, उच्च वोल्टेज पर गैस उत्पादन के कारण यह LCO को आसानी से प्रतिस्थापित नहीं कर पाता है। यद्यपि LCO कैथोड सामग्री में कोबाल्ट की अधिक लागत के कारण उच्च लागत, खराब चक्र प्रदर्शन और खराब सुरक्षा जैसे नुकसान हैं, फिर भी उनकी उच्च टैप घनत्व और उच्च संचालन वोल्टेज के कारण अत्यंत पतले इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में उन्हें एक लाभ है। मध्यम से उच्च-स्तरीय स्मार्टफोन, लैपटॉप और टैबलेट में मांग स्थिर बनी हुई है। इसके अलावा, 5G फोन की बढ़ी हुई बैटरी क्षमता और ड्रोन, TWS इयरफ़ोन और इ-सिगरेट जैसे नए उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स का उदय सभी LCO कैथोड सामग्री के लिए बाजार मांग को बढ़ावा दे रहे हैं। LCO में सबसे अधिक टैप घनत्व होने के कारण उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स की सीमित मात्रा के भीतर सबसे अधिक आयतनीय ऊर्जा घनत्व होता है। उत्कृष्ट टैप घनत्व, आयतनीय ऊर्जा घनत्व, चक्र प्रदर्शन और उच्च/निम्न तापमान प्रदर्शन के साथ-साथ चार्जिंग कटऑफ संभाव्यता बढ़ाकर LCO की ऊर्जा घनत्व को और बढ़ाने की क्षमता, उच्च वोल्टेज, उच्च टेपर LCO सामग्री को भविष्य की दिशा बनाती है।

III. ऊर्जा भंडारण बैटरियाँ

ऊर्जा भंडारण बैटरियाँ उन बैटरियों को संदर्भित करती हैं जो विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करती हैं और इसे रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं। वर्तमान में, ऊर्जा भंडारण बैटरी बाजार के दो प्रमुख अनुप्रयोग क्षेत्र हैं: बिजली भंडारण और घरेलू ऊर्जा भंडारण। बिजली भंडारण बैटरियाँ वस्तुतः बिजली भंडारण प्रौद्योगिकी हैं, जो विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की प्रौद्योगिकी है। अनुप्रयोग परिदृश्यों में पंपित जल भंडारण, बैटरी भंडारण, यांत्रिक भंडारण और संपीड़ित वायु भंडारण शामिल हैं, जिनका विभिन्न औद्योगिक क्षेत्रों में उपयोग किया जा सकता है। घरेलू ऊर्जा भंडारण बैटरियों को आमतौर पर बाहरी उपयोग के लिए डिज़ाइन किया जाता है; उदाहरण के लिए, घर में बिजली कटौती के समय या कैंपिंग के दौरान, अप्रत्याशित आवश्यकताओं के लिए उच्च क्षमता वाली, लंबे समय तक चलने वाली ऊर्जा भंडारण बैटरी की आवश्यकता होती है।

1. उत्पाद की विशेषताएं:

ऊर्जा भंडारण लिथियम बैटरियों के लिए आयु के मामले में अधिक कठोर आवश्यकताएँ होती हैं। नई ऊर्जा वाहनों की आयु सामान्यतः 5 से 8 वर्ष होती है, जबकि ऊर्जा भंडारण परियोजनाएँ आमतौर पर 10 वर्ष से अधिक की आयु का लक्ष्य रखती हैं। शक्ति लिथियम बैटरियों का चक्र जीवन 1000-2000 चक्र होता है, जबकि ऊर्जा भंडारण लिथियम बैटरियों में आमतौर पर 5000 चक्र से अधिक के चक्र जीवन की आवश्यकता होती है। इसका कारण यह है कि ऊर्जा भंडारण बैटरियाँ आयतनिक ऊर्जा घनत्व और द्रव्यमान ऊर्जा घनत्व को प्राथमिकता नहीं देती हैं, बल्कि सुरक्षा और लागत पर जोर देती हैं। आंतरिक सामग्री गुणों के संदर्भ में, लिथियम आयरन फॉस्फेट के पास तृतीयक लिथियम बैटरियों की तुलना में बेहतर तापीय स्थिरता और सामग्री लागत होती है, और इसका चक्र जीवन पहले ही लगभग 10,000 चक्र तक पहुँच चुका है, अतः वैश्विक ऊर्जा भंडारण बाजार में इसके उपयोग की सीमा लगातार बढ़ रही है।

2. धनात्मक इलेक्ट्रोड का प्रकार:

पावर लिथियम बैटरियों और ऊर्जा भंडारण लिथियम बैटरियों के बीच कुछ अंतर हैं, लेकिन सेल के स्वयं के दृष्टिकोण से, दोनों स्पष्ट रूप से लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP) बैटरियों और टर्नरी लिथियम बैटरियों का उपयोग कर सकते हैं। हालाँकि, ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों में, लगभग विशेष रूप से LFP बैटरियों का उपयोग किया जाता है। यह मुख्य रूप से ऊर्जा भंडारण बिजली स्टेशनों में आमतौर पर होने वाली सुरक्षा दुर्घटनाओं के कारण है। ऊर्जा भंडारण के लिए विशिष्ट लिथियम बैटरियों को उच्च ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता नहीं होती है, बल्कि उच्च सुरक्षा की आवश्यकता होती है, क्योंकि इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में सैकड़ों से लेकर दस हजारों तक बैटरियाँ होती हैं। एक बार आग लगने और फैलने पर, स्थिति नियंत्रित करने के लिए अत्यंत कठिन हो जाती है। 29 जून, 2022 को, राष्ट्रीय ऊर्जा प्रशासन ने "बिजली उत्पादन दुर्घटनाओं को रोकने के लिए पच्चीस मुख्य आवश्यकताएँ" पर एक मसौदा राय जारी की, जिसमें व्यवस्था की गई थी कि बड़े पैमाने पर इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण बिजली स्टेशनों को टर्नरी लिथियम बैटरियों या सोडियम-सल्फर बैटरियों का उपयोग नहीं करना चाहिए, और रीसाइकिल पावर बैटरियों का उपयोग नहीं करना चाहिए। इसलिए, ऊर्जा भंडारण बैटरियाँ मूल रूप से सभी LFP से बनी होती हैं।

सारांश:

उपभोक्ता बैटरी बाजार में काफी हद तक स्थिरता आ गई है, जिसमें बैटरी अनुसंधान और विकास मुख्य रूप से उच्चतर आयतनिक ऊर्जा घनत्व और बड़ी क्षमता प्राप्त करने पर केंद्रित है। अग्रणी पावर बैटरी का बाजार हिस्सेदारी मुख्य रूप से स्थापित हो चुका है, जिसमें एक छोटा हिस्सा अभी भी पुनर्निर्माण के तहत है। वर्तमान में, पावर बैटरी के लिए मुख्य ध्यान ड्राइविंग रेंज बढ़ाने और चार्जिंग गति बढ़ाने पर केंद्रित है। ऊर्जा भंडारण बैटरी में भी कोई महत्वपूर्ण नया विकास नहीं देखा गया है, मुख्य रूप से अत्यधिक बड़ी क्षमताओं की ओर बढ़ रहा है, 280Ah से 314Ah तक, और अब CATL और Haichen की 587Ah, या Sungrow की 684Ah तक।