सोडियम-आयन बैटरी कैसे काम करती है

कैसे सोडियम-आयन क्या है बैटरी काम

एक सोडियम-आयन सेल ऊर्जा को संग्रहीत करता है और मुक्त करता है, जिसमें दो इलेक्ट्रोड्स के बीच सोडियम आयन्स की नियंत्रित गति शामिल होती है। यह प्रक्रिया एक व्हाइटबोर्ड पर लिथियम-आयन सेल के समान दिखाई देती है, लेकिन उपयोग किए जाने वाले पदार्थ, आयन का आकार और कुछ व्यावहारिक परिणाम भिन्न होते हैं। कोई भी व्यक्ति जो ऑटोमोटिव स्टार्ट-स्टॉप अनुप्रयोगों के लिए सोडियम-आयन बैटरियों का मूल्यांकन कर रहा हो, उसके लिए बैटरी के अंदर सेल के वास्तविक कार्य को समझना प्रत्येक विनिर्देश, तुलना और खरीद निर्णय का प्रारंभिक बिंदु है।

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सोडियम-आयन सेल के अंदर की मूल संरचना

एक सोडियम-आयन सेल को अधिकांश अन्य रिचार्जेबल रसायनों के समान मूल भागों से निर्मित किया जाता है: एक धनात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड), एक ऋणात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड), एक पृथक्कारक जो उन्हें भौतिक रूप से अलग रखता है, एक विद्युत्‍ अपघट्य जो आयनों को दोनों के बीच ले जाता है, और धारा संग्राहक जो प्रत्येक इलेक्ट्रोड को बाहरी टर्मिनल से जोड़ते हैं।

उन घटकों में उपयोग किए जाने वाले पदार्थ ही सोडियम-आयन सेल को लिथियम-आयन सेल से अलग करते हैं। सोडियम-आयन सेलों में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाते हैं:

• एक सोडियम युक्त कैथोड , जैसे स्तरित संक्रमण धातु ऑक्साइड (उदाहरण के लिए, NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 और समान संरचनाएँ), प्रूशियन ब्लू एनालॉग्स, या पॉलीएनियन-प्रकार के यौगिक। सटीक रसायन निर्माता और अभिप्रेत अनुप्रयोग के अनुसार भिन्न होता है।

• एक कठोर कार्बन एनोड जो सोडियम-आयन रसायन के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एनोड सामग्री है। चार्जिंग के दौरान सोडियम आयन अव्यवस्थित कार्बन संरचना में अवशोषित हो जाते हैं।

• एक द्रव इलेक्ट्रोलाइट जिसमें सोडियम लवण होता है — जिसमें सबसे अधिक आम रूप से NaPF6 या NaClO4 होता है —कार्बोनेट-आधारित विलायकों में घुला हुआ। कुछ डिज़ाइनों में जेल या ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया जाता है, लेकिन आज की वाणिज्यिक ऑटोमोटिव बैटरियों में ये कम आम हैं।

• दोनों ओर एल्युमीनियम करंट कलेक्टर्स। यह लिथियम-आयन सेल्स से एक महत्वपूर्ण अंतर है, जहाँ एनोड की ओर तांबे का उपयोग करना आवश्यक होता है क्योंकि एल्युमीनियम कम वोल्टेज पर लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करता है। सोडियम सामान्य सेल विभवों पर एल्युमीनियम के साथ मिश्रधातु नहीं बनाता, इसलिए दोनों ओर एल्युमीनियम फ़ॉयल का उपयोग किया जा सकता है, जिससे सेल निर्माण सरल हो जाता है और सामग्री लागत कम हो जाती है।

एक सुगम्य अलगावक — आमतौर पर एक बहुलक झिल्ली — कैथोड और एनोड को भौतिक रूप से अलग करता है, जबकि सोडियम आयनों को उसके माध्यम से पारित होने की अनुमति देता है। अलगावक को विद्युत-अपघट्य में भिगोया जाता है और यह दोनों इलेक्ट्रोडों के बीच सेतु का कार्य करता है। फिर सेल को एक कठोर आवरण (बेलनाकार, प्रिज़्मैटिक या पाउच प्रारूप) के अंदर सील कर दिया जाता है, जिसमें बैटरी पैक के बाहरी भाग से जुड़ने वाले टर्मिनल होते हैं।

डिस्चार्ज के दौरान क्या होता है

जब बैटरी शक्ति प्रदान करती है — उदाहरण के लिए, जब एक स्टार्टर मोटर इंजन को घुमाती है —सोडियम आयन विद्युत्‍ अपघट्य के माध्यम से एनोड से कैथोड की ओर गति करते हैं। इसी समय, एनोड पर इलेक्ट्रॉन मुक्त होते हैं, बाह्य परिपथ के माध्यम से यात्रा करते हैं और कैथोड पर पुनः प्रवेश करते हैं।

सोडियम आयन की गति और इलेक्ट्रॉन प्रवाह

एनोड की ओर, सोडियम कठोर कार्बन संरचना छोड़कर विद्युत्‍ अपघट्य में Na आयन के रूप में प्रवेश करता है।

कैथोड की ओर, वे Na आयन कैथोड सामग्री में समाविष्ट हो जाते हैं, जबकि बाह्य परिपथ के माध्यम से आने वाले इलेक्ट्रॉन कैथोड आधार को अपचयित करते हैं। दोनों प्रवाह —विद्युत्‍ अपघट्य के माध्यम से आयन और तार के माध्यम से इलेक्ट्रॉन —की दर समान होनी चाहिए, जिसके कारण बैटरी द्वारा प्रदान किया जा सकने वाला बाह्य धारा मूल रूप से सेल के अंदर आयनों की गति की गति द्वारा सीमित होती है।

एक ऑटोमोटिव बैटरी में, यह इलेक्ट्रॉन प्रवाह स्टार्टर मोटर, आग लगाने की व्यवस्था, प्रकाश, इन्फोटेनमेंट और वाहन के सभी ऑनबोर्ड इलेक्ट्रॉनिक्स को ऊर्जा प्रदान करता है। स्टार्ट-स्टॉप वाहन में, यही डिस्चार्ज प्रक्रिया प्रत्येक यात्रा के दौरान कई बार दोहराई जाती है: हर बार जब इंजन ट्रैफ़िक लाइट पर रुकता है, बैटरी विद्युत प्रणालियों को जारी रूप से बिजली आपूर्ति करती रहती है, और हर बार जब इंजन पुनः प्रारंभ होता है, बैटरी स्टार्टर के लिए उच्च धारा का एक आवेग प्रदान करती है। सेल को इस उच्च-दर, बार-बार चक्रण वाले पैटर्न को सहन करना होता है, केवल एक गहरी डिस्चार्ज नहीं।

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चार्जिंग के दौरान क्या होता है

चार्जिंग, डिस्चार्ज प्रतिक्रिया को उलट देती है। एक बार जब सेल के दोनों सिरों पर बाहरी वोल्टेज लगाया जाता है —चल रहे वाहन में ऑल्टरनेटर द्वारा, या कार्यशाला में बाहरी चार्जर द्वारा — सोडियम आयन कैथोड छोड़ते हैं, इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से वापस यात्रा करते हैं और कठोर कार्बन एनोड में पुनः प्रवेश करते हैं। इसी समय, इलेक्ट्रॉन कैथोड से बाहर निकाले जाते हैं, बाहरी परिपथ के माध्यम से यात्रा करते हैं और एनोड पर सेल में पुनः प्रवेश करते हैं। ऊर्जा का भंडारण सोडियम आयनों के एनोड की संरचना में वापस धकेले जाने पर होता है, जो अगली डिस्चार्ज के समय पुनः मुक्त करने के लिए तैयार होते हैं।

एक स्टार्ट-स्टॉप वाहन में, जब भी इंजन चल रहा होता है, ऑल्टरनेटर अधिकांश रीचार्जिंग का काम करता है। इस प्रकार की सेवा में बैटरी शायद ही कभी पूर्ण १००% चार्ज स्थिति तक पहुँचती है — यह सामान्यतः लगभग ६०% से ९०% के बीच की आंशिक चार्ज स्थिति में काम करती है, जिसमें अक्सर छोटे-छोटे डिस्चार्ज और रीचार्ज के झटके आते रहते हैं। अतः एक ऐसी बैटरी रसायन विज्ञान, जो इस पैटर्न को अच्छी तरह सँभाल सके और आंशिक चार्ज स्थिति में दक्षतापूर्ण रूप से चार्ज स्वीकार कर सके, स्टार्ट-स्टॉप अनुप्रयोग में उस बैटरी से अधिक महत्वपूर्ण है जो केवल उच्चतम संभव पूर्ण-चार्ज क्षमता प्रदान करती हो।

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तापमान का प्रतिक्रिया पर प्रभाव

कोशिका के अंदर तापमान दो चीज़ों को बदलता है:

• Ion गतिशीलता कम तापमान पर, विद्युत-अपघट्य अधिक श्यान हो जाता है और आयनों की गति धीमी हो जाती है। इससे कोशिका की उच्च धारा देने या स्वीकार करने की क्षमता कम हो जाती है, जो सर्दियों में बैटरियों की क्रैंकिंग शक्ति कम होने का एक प्रमुख कारण है।

• अभिक्रिया गतिकी उच्च तापमान पर इलेक्ट्रोड अभिक्रियाएँ तीव्र गति से होती हैं, लेकिन अत्यधिक ऊष्मा विद्युत-अपघट्य के विघटन, कैथोड से संक्रमण धातु के घुलने, और एनोड पर ठोस विद्युत-अपघट्य अंतरापृष्ठ (SEI) परत के विकास जैसी पार्श्व अभिक्रियाओं को तीव्र कर सकती है। समय के साथ, ये पार्श्व अभिक्रियाएँ क्षमता को कम करती हैं और चक्र आयु को छोटा कर देती हैं।

सोडियम-आयन रसायन विज्ञान की चर्चा अक्सर कुछ लिथियम रसायन विज्ञान की तुलना में कम तापमान पर आयन परिवहन में बेहतर होने के रूप में की जाती है, क्योंकि सोडियम की छोटी डीसॉल्वेशन ऊर्जा और दुर्बल सॉल्वेशन शेल के कारण इलेक्ट्रोड अंतरापृष्ठ पर आयन के लिए अपने विलायक अणुओं को त्यागना आसान होता है। हालाँकि, व्यवहार में, किसी वास्तविक ऑटोमोटिव उत्पाद का शीत-प्रारंभन प्रदर्शन कोशिका डिज़ाइन, विद्युत-अपघट्य सूत्रीकरण, BMS सीमाएँ और पैक इंजीनियरिंग पर निर्भर करता है, न कि केवल रसायन विज्ञान पर। कोई भी सामान्य दावा की तुलना में एक परीक्षण प्रमाणपत्र या निर्माता का डेटाशीट अधिक विश्वसनीय है।

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बैटरी के कार्य करने के तरीके में BMS का हिस्सा क्यों होता है

एक सोडियम-आयन ऑटोमोटिव बैटरी केवल सेल्स से अधिक है। बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम (BMS) वह है जो सामान्य संचालन के दौरान सेल्स के उपयोग और सुरक्षा को नियंत्रित करता है। एक स्टार्ट-स्टॉप बैटरी में, BMS आमतौर पर इन कार्यों को संभालता है:

• चार्जिंग के दौरान सेल संतुलन, ताकि पैक में व्यक्तिगत सेल्स का चार्ज की स्थिति (state of charge) लगभग समान बनी रहे। • प्रत्येक सेल या सेल समूह के लिए वोल्टेज, करंट और तापमान की निगरानी।

• प्रत्येक सेल या सेल समूह के लिए वोल्टेज, करंट और तापमान की निगरानी। • प्रत्येक सेल या सेल समूह के लिए वोल्टेज, करंट और तापमान की निगरानी।

• ओवरचार्ज, ओवरडिस्चार्ज, शॉर्ट सर्किट और अत्यधिक करंट के खिलाफ सुरक्षा। • ओवरचार्ज, ओवरडिस्चार्ज, शॉर्ट सर्किट और अत्यधिक करंट के खिलाफ सुरक्षा।

• चार्ज की स्थिति (SOC) और स्वास्थ्य की स्थिति (SOH) का अनुमान, जिसका वाहन यह निर्णय लेने के लिए उपयोग कर सकता है कि कब स्टार्ट-स्टॉप को अक्षम किया जाए, एक्सेसरीज़ को मद्धिम किया जाए या ड्राइवर को सूचित किया जाए। • चार्ज की स्थिति (SOC) और स्वास्थ्य की स्थिति (SOH) का अनुमान, जिसका वाहन यह निर्णय लेने के लिए उपयोग कर सकता है कि कब स्टार्ट-स्टॉप को अक्षम किया जाए, एक्सेसरीज़ को मद्धिम किया जाए या ड्राइवर को सूचित किया जाए।

• वाहन विद्युत प्रणाली के साथ संचार, जो lIN या CAN जैसे प्रोटोकॉल, अनुप्रयोग के आधार पर।

रसायन विज्ञान लिथियम से भिन्न हो सकता है, परंतु बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) की भूमिका मूलतः समान ही रहती है। B2B खरीदारों के लिए, इसका अर्थ है कि वाहनों के लिए सोडियम-आयन बैटरी का मूल्यांकन केवल सेल रसायन विज्ञान तक सीमित नहीं होना चाहिए। BMS फर्मवेयर, हार्डवेयर की गुणवत्ता, सेंसर की सटीकता और वाहन के विद्युत प्रोटोकॉल के प्रति अनुपालन — ये सभी वास्तविक दुनिया में प्रदर्शन, वारंटी लागत और ग्राहक संतुष्टि को सीधे प्रभावित करते हैं।

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यह लिथियम-आयन सेल से कैसे भिन्न है

सोडियम-आयन सेल का कार्य सिद्धांत लिथियम-आयन सेल के समान है: आयन दो इलेक्ट्रोडों के बीच गति करते हैं, इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ के माध्यम से प्रवाहित होते हैं, और चक्रीकरण के दौरान अभिक्रियाएँ उत्क्रमणीय होती हैं। अंतर मुख्यतः सामग्रियों और उनके व्यावहारिक परिणामों में होता है।

प्रमुख अंतर शामिल हैं:

•आयन का आकार। सोडियम आयन लिथियम आयनों की तुलना में बड़े होते हैं। यह उनके इलेक्ट्रोड संरचना में प्रवेश करने और उससे बाहर निकलने की सुगमता को प्रभावित करता है, जो सोडियम-आयन सेलों की ऊर्जा घनत्व को लिथियम-आयन रसायनों की तुलना में कम होने का एक प्रमुख कारण है।

• वर्तमान संग्राहक। सोडियम-आयन सेल दोनों ओर एल्युमीनियम का उपयोग कर सकते हैं, जबकि लिथियम-आयन सेलों में एनोड पर तांबे की आवश्यकता होती है। एल्युमीनियम तांबे की तुलना में सस्ता और हल्का होता है, जिससे सेल डिज़ाइन सरल हो जाता है।

• संसाधन उपलब्धता। सोडियम लिथियम की तुलना में कहीं अधिक प्रचुर मात्रा में और भौगोलिक रूप से अधिक वितरित है। यह लंबे समय तक लागत प्रवृत्तियों और आपूर्ति सुरक्षा को प्रभावित करता है, विशेष रूप से उच्च-मात्रा वाले अनुप्रयोगों के लिए।

•ऊर्जा घनत्व। वर्तमान वाणिज्यिक सोडियम-आयन सेलों का द्रव्यमान और आयतन दोनों के आधार पर ऊर्जा घनत्व आमतौर पर मुख्यधारा के लिथियम-आयन रसायनों की तुलना में कम होता है, हालाँकि यह अंतर रसायन और पीढ़ी के अनुसार भिन्न हो सकता है।

खरीद टीमों के लिए व्यावहारिक प्रश्न यह नहीं है कि "कौन-सी रासायनिकी सैद्धांतिक रूप से बेहतर है", बल्कि यह है कि "कौन-सी रासायनिकी विशिष्ट वाहन, जलवायु और ड्यूटी साइकिल की आवश्यकताओं को सही लागत पर पूरा करती है"। यह तथ्य कि सोडियम और लिथियम समान तरीके से काम करते हैं, उन्हें आंशिक रूप से तुलनीय बनाता है, लेकिन इससे उन्हें अदला-बदली योग्य नहीं बनाता है। लिथियम-आयन सेल के संचालन के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी के लिए, लिथियम बैटरी क्लस्टर में लिथियम बैटरी के कार्य करने के तरीके को देखें।

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ऑटोमोटिव स्टार्ट-स्टॉप उपयोग के लिए इसका क्या अर्थ है

एक सोडियम-आयन बैटरी को स्टार्ट-स्टॉप वाहन में अच्छा प्रदर्शन करने के लिए कई बातें एक साथ सत्य होनी चाहिए:

• आवेशन स्वीकृति: सेल की रासायनिकी को उच्च आवेशन स्वीकृति का समर्थन करना चाहिए, ताकि ऑल्टरनेटर रीस्टार्ट के बीच और गहन एक्सेसरी लोड के बाद बैटरी को तेज़ी से फिर से भर सके।

• ठंडे में स्टार्टिंग धारा (सीसीए) सीसीए रेटिंग को वाहन के इंजन के आकार और उस जलवायु के अनुसार पर्याप्त होना चाहिए जिसमें वाहन का उपयोग किया जाएगा। एक सोडियम-आयन सेल जो २५ डिग्री सेल्सियस पर मजबूत स्टार्टिंग प्रदान करती है, °C वही स्टार्टिंग ० डिग्री सेल्सियस पर प्रदान नहीं कर सकती है −20 °°C तक के उच्च तापमान वातावरणों में उपयोग के लिए मंजूरी दी गई है।

• आंशिक चार्ज स्थिति के तहत चक्र जीवन। बैटरी को शहरी ड्राइविंग में अपेक्षित इंजन पुनः प्रारंभ करने की उच्च संख्या के अनुरूप होना चाहिए — शहरी ट्रैफ़िक में एक स्टार्ट-स्टॉप बैटरी सप्ताह में सैकड़ों बार इंजन पुनः प्रारंभ कर सकती है।

• बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) एकीकरण। bMS को वाहन के साथ उचित रूप से संवाद करना चाहिए और हज़ारों आंशिक चक्रों के दौरान पैक की रक्षा करनी चाहिए। सही BMS एकीकरण के बिना, एक मज़बूत सेल भी अनुचित चार्जिंग या अत्यधिक डेप्थ-ऑफ-डिस्चार्ज के कारण क्षतिग्रस्त हो सकती है।

सोडियम-आयन बैटरी हर स्टार्ट-स्टॉप वाहन के लिए स्वतः उपयुक्त नहीं होती है, बस इसलिए क्योंकि उसकी रासायनिक रचना मौजूद है। वाहन की विशिष्टताएँ, जलवायु, चार्जिंग प्रोफाइल और निर्माता द्वारा स्वयं किए गए मान्यन कार्य — सभी महत्वपूर्ण हैं। खरीद टीमों को हमेशा उत्पाद के डेटाशीट की जाँच करनी चाहिए और आपूर्तिकर्ता से उस बैटरी की विशिष्ट वाहन प्रणालियों के साथ संगतता के प्रमाण की माँग करनी चाहिए, जिनके लिए वह बैटरी अभिप्रेत है; सामान्य रूप से रसायन के बारे में किए गए कथनों पर भरोसा करने के बजाय। लिथियम बैटरियों के वाहनों और अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग के व्यापक दृष्टिकोण के लिए, लिथियम बैटरी पिलर गाइड देखें।

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अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

क्या सोडियम-आयन बैटरी लिथियम-आयन बैटरी के समान है? चालू बैटरी?

नहीं। सामान्य कार्य सिद्धांत —दो इलेक्ट्रोडों के बीच उलटने योग्य आयन गति —वही है। पदार्थ अलग-अलग हैं। सोडियम-आयन सेलों में सोडियम-आधारित कैथोड, कठोर कार्बन ऐनोड और सोडियम-लवण इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया जाता है, जबकि लिथियम-आयन सेलों में लिथियम-आधारित कैथोड और ग्रेफाइट ऐनोड का उपयोग किया जाता है।

क्या सोडियम-आयन बैटरियों की जरूरत है बी एमएस?

हाँ। ऑटोमोटिव सोडियम-आयन बैटरियों के लिए सेल वोल्टेज की निगरानी करने, सेलों को संतुलित करने, चार्ज और डिस्चार्ज को नियंत्रित करने तथा पैक को असुरक्षित स्थितियों के खिलाफ सुरक्षित रखने के लिए एक बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम की आवश्यकता होती है।

क्या सोडियम-आयन बैटरी को एक सामान्य सीसा -एसिड चार्जर से चार्ज किया जा सकता है?

सामान्य तौर पर नहीं। सोडियम-आयन सेलों की वोल्टेज सीमा और चार्ज प्रोफाइल लेड-एसिड बैटरियों से भिन्न होती है। असंगत चार्जर का उपयोग करने से पैक को क्षति पहुँच सकती है। हमेशा बैटरी निर्माता के चार्जिंग निर्देशों का पालन करें और उस विशिष्ट सोडियम-आयन उत्पाद के लिए अनुमोदित चार्जर का उपयोग करें।