लिथियम-आयन बैटरी ने इलेक्ट्रिक कार को कैसे वापस लौटाया?

1900 में अमेरिका की 28 प्रतिशत कारें बिजली से चलती थीं; लिथियम-आयन बैटरी ने आखिरकार पेट्रोल की सौ साल पुरानी जीत को पलट दिया।
1900 में अमेरिका की 28 प्रतिशत कारें बिजली से चलती थीं; लिथियम-आयन बैटरी ने आखिरकार पेट्रोल की सौ साल पुरानी जीत को पलट दिया।

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लिथियम-आयन बैटरी, अपनी उच्च ऊर्जा घनत्व और घटती लागत के साथ इलेक्ट्रिक कार की सदी पुरानी रेंज और वजन की समस्या को हल करके आधुनिक इलेक्ट्रिक वाहन को तकनीकी रूप से संभव बनाने वाली बैटरी केमिस्ट्री है। यह लेख 1890 के दशक से 1991 तक की कहानी और इस क्रांति ने ऑटोमोबाइल को कैसे फिर से आकार दिया, यह बताता है।

मुख्य बातें

  • 1900 में अमेरिका की कारों में से 28% इलेक्ट्रिक थीं; प्रतिस्पर्धा में पेट्रोल जीत गया।
  • पहली व्यावसायिक लिथियम-आयन बैटरी 1991 में Sony द्वारा बाजार में पेश की गई।
  • लिथियम-आयन की लागत प्रति kWh लगभग 9,200 डॉलर से घटकर 78 डॉलर हो गई।
  • Tesla Roadster (2008): 393 किमी EPA रेंज, 0-100 किमी/घंटा 3.9 सेकंड.

क्या इलेक्ट्रिक कार असल में पेट्रोल से पहले शुरू हुई थी?

कई पाठकों के अनुमान के विपरीत, हाँ। इलेक्ट्रिक कार का इतिहास आंतरिक दहन इंजन के लगभग उसी युग में शुरू होता है और पहले आधे सदी में बिजली बिल्कुल भी हाशिए की तकनीक नहीं थी। 1827-1828 के बीच हंगेरियन पादरी Ányos Jedlik ने पहला इलेक्ट्रिक मोटर बनाया और एक छोटे मॉडल कार को चलाया। 1832-1839 के बीच स्कॉटिश Robert Anderson ने एक अपरिष्कृत इलेक्ट्रिक कार विकसित की; लेकिन गैल्वेनिक सेल अभी चार्ज नहीं किए जा सकते थे, यानी वाहन एक बार उपयोग योग्य ऊर्जा भंडार से चलता था। 1837 में Robert Davidson ने Aberdeen में पहले इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव प्रोटोटाइप का निर्माण किया; 1841 का बड़ा किया गया Galvani, 6 टन के भार को 4 मील प्रति घंटे की गति से 1.5 मील खींचा। रेलवे कर्मचारियों ने अपनी नौकरी खोने के डर से मशीन को नष्ट कर दिया - तकनीक को मिलने वाला पहला विरोध इतनी प्रारंभिक तारीख में ही था।

मोड़ का क्षण 1859 में आया: Gaston Planté की लेड-एसिड बैटरी ने वाहन के लिए रिचार्जेबल ऊर्जा भंडारण को पहली बार संभव बनाया। यह केमिस्ट्री इतनी मजबूत निकली कि आज भी आंतरिक दहन इंजन वाले वाहनों की बैटरियों में इसका उपयोग होता है। Thomas Parker ने 1884 के आसपास इंग्लैंड में इलेक्ट्रिक ट्रामों को संचालित किया और प्रोटोटाइप इलेक्ट्रिक कारों का उत्पादन किया।

Morrison से Jenatzy तक: पहला स्वर्ण युग

अमेरिका की ओर संदर्भ बिंदु William Morrison है। 1890 में Des Moines, Iowa में उन्होंने अपनी इलेक्ट्रिक कार के लिए पेटेंट आवेदन किया; वाहन फ्रंट-व्हील ड्राइव था, 4 हॉर्सपावर का उत्पादन करता था, 20 mph की गति करता था और 24 बैटरी सेल के साथ 50 मील के बाद चार्ज की आवश्यकता होती थी। 1893 के Chicago विश्व मेले में इसने सनसनी मचाई। Philadelphia में Salom और Morris ने 1894 में Electrobat का पेटेंट लिया; 1896 तक यह दो 1.1 kW मोटरों के साथ 25 मील की रेंज प्रदान करता था और उसी वर्ष पेट्रोल से चलने वाली Duryea कारों के खिलाफ पांच मील की स्प्रिंट दौड़ें जीतीं।

आंकड़े प्रारंभिक युग की लोकप्रियता को स्पष्ट रूप से दिखाते हैं: 1900 में अमेरिका में सड़कों पर चल रही कारों में से 28% इलेक्ट्रिक थीं; पहले ऑटोमोबाइल शो में प्रदर्शित 160 कारों में से एक तिहाई इलेक्ट्रिक थीं। शहरी उपयोग में बिजली के वास्तविक फायदे थे - यह शांत थी, साफ थी, चाबी घुमाते ही चालू हो जाती थी और शायद ही कभी खराब होती थी। 1899 में Camille Jenatzy, दोहरे 25 kW मोटर और partinium एल्यूमीनियम मिश्र धातु के बॉडी वाली La Jamais Contente ने 100 km/h और 60 mph की बाधाएं तोड़ने वाला पहला व्यक्ति बना। न्यूयॉर्क में Electric Vehicle Company ने बैटरी स्वैप स्टेशन का उपयोग करके 600 से अधिक इलेक्ट्रिक टैक्सियां संचालित कीं; 1897 में लंदन में पहली इलेक्ट्रिक टैक्सी सेवा की स्थापना हुई थी।

पेट्रोल क्यों जीता? इलेक्ट्रिक-पेट्रोल प्रतिस्पर्धा का विश्लेषण

इलेक्ट्रिक वाहन की पहली हार एक प्रदर्शन हार नहीं, बल्कि इंजीनियरिंग अर्थशास्त्र की हार थी। चार कारक चुनौती प्रस्तुत करते थे और वे सभी मापने योग्य थे:

  • लागत: इलेक्ट्रिक गाड़ियां पेट्रोल वाली गाड़ियों से लगभग दोगुनी महंगी थीं और उन्हें विलासिता की वस्तु माना जाता था। 1908 में जब फोर्ड मॉडल T की कीमत 850 डॉलर थी, तब अधिकांश इलेक्ट्रिक गाड़ियां कम से कम दोगुने दाम पर बिक रही थीं; 1923 में जब मॉडल T की कीमत 300 डॉलर से नीचे आ गई, तब कई इलेक्ट्रिक गाड़ियां दस गुना महंगी थीं।
  • रेंज और ऊर्जा भंडारण: अतिरिक्त पेट्रोल का कैन, अतिरिक्त बैटरी से कहीं हल्का होता था - समस्या का सार ठीक यही द्रव्यमान अनुपात था।
  • अवसंरचना: बिजली न पहुंचने वाले ग्रामीण क्षेत्रों में चार्ज करने की कोई सुविधा नहीं थी; पेट्रोल हर जगह बिकने वाला एक भंडारण ऊर्जा स्रोत था।
  • स्टार्टर: 1912 में चार्ल्स केटरिंग के इलेक्ट्रिक स्टार्टर मोटर (पहले कैडिलैक में) ने हैंड क्रैंक को समाप्त किया और इलेक्ट्रिक गाड़ियों के बुनियादी उपयोग के लाभ को मिटा दिया।

एक वाक्य में कहें तो, लेड-एसिड बैटरी की ऊर्जा घनत्व ऑटोमोबाइल की द्रव्यमान और रेंज की मांगों को पूरा नहीं कर पा रही थी। फिर भी Detroit Electric ने 1907–1939 के बीच 35,000 से अधिक वाहनों का उत्पादन किया; हेनरी फोर्ड की पत्नी क्लारा फोर्ड ने 1908–1914 के बीच एक Detroit Electric का उपयोग किया। इंग्लैंड में इलेक्ट्रिक दूध वितरण वाहन "milk float" 1980 के दशक तक चलते रहे और वह देश 20वीं सदी के अधिकांश समय दुनिया का सबसे बड़ा इलेक्ट्रिक सड़क वाहन उपयोगकर्ता रहा - लेकिन ये संकीर्ण कार्य-उन्मुख वाहन थे, सामान्य प्रयोजन की कारें नहीं थीं।

बीसवीं सदी के मध्यवर्ती प्रयास: बैटरी जितनी भारी, उतना बुरा परिणाम

1920 के दशक से इलेक्ट्रिक कार हाशिए पर चली गई लेकिन पूरी तरह खत्म नहीं हुई; यह हर प्रयास में एक बार फिर साबित हुआ कि समस्या हमेशा बैटरी में ही थी। जापान में 1947 का Tama, लेड-एसिड बैटरी के साथ 20 mph की गति और 40 मील की रेंज के साथ टैक्सी के काम में लगाया गया। Henney Kilowatt (1959–1960) ने वोल्टेज को 36 V से 72 V तक बढ़ाकर 60 mph की गति और 60 मील की रेंज हासिल की; फिर भी केवल लगभग 100 शेसी का उत्पादन हुआ और 47 कारें बिकीं।

GM का Electrovair II प्रयोग (1966) स्थिति की गंभीरता दिखाने वाला एक आंकड़ा है: सिल्वर-जिंक बैटरी, 532 V सिस्टम वोल्टेज, 115 hp और 40–80 मील की रेंज - लेकिन बैटरियां केवल 100 चार्ज चक्र तक टिकती थीं और पैकेट की कीमत उस साल की मुद्रा में 160,000 डॉलर थी। 1971–72 में चंद्र निरीक्षण वाहन (LRV) एक अलग लक्ष्य, अंतिम विश्वसनीयता की सेवा करता था: GM Delco मोटर्स और अपुनर्भरणीय सिल्वर-जिंक बैटरी के साथ, 38 मिलियन डॉलर की लागत पर। 1973 के OPEC नाकेबंदी के बाद रुचि फिर से जागी: 1974 में बिक्री के लिए आई Citicar 2.5 hp और लगभग 25 mph के साथ विनम्र थी, लेकिन कुल 4,444 इकाइयों के उत्पादन ने उसे 2013 तक द्वितीय विश्व युद्ध के बाद अमेरिका का सबसे बड़ा इलेक्ट्रिक वाहन निर्माता बना दिया। 1977 का GM Electrovette प्रोटोटाइप लेड-एसिड वाले थे, 30 mph की गति से 50 मील चलते थे; पेट्रोल की कीमत की अपेक्षाएं पूरी न होने पर इन्हें कोने में रख दिया गया।

GM EV1: बैटरी की समस्या से जल्दी जूझने वाला वाहन

1990 के दशक में कैलिफोर्निया की ज़ीरो-एमिशन वाहन अनिवार्यता ने आधुनिक युग की पहली गंभीर वाहन निर्माता EV को जन्म दिया। GM, Impact कॉन्सेप्ट से उत्पादन की ओर बढ़ा और EV1 1996-97 में किराए पर देना शुरू किया; किराएदारों तक 1997 में पहुंचा और कुल मिलाकर लगभग 1,000 इकाइयां किराए पर दी गईं। पहला मॉडल लेड-एसिड बैटरी वाला था; बाद में आया निकल-मेटल हाइड्राइड (NiMH) विकल्प 70-160 मील की रेंज देता था - उस दौर की केमिस्ट्री में यह एक ध्यान देने योग्य छलांग थी, लेकिन पर्याप्त नहीं थी।

अंतिम कारें 1999 में बनीं; GM ने 2003 में उच्च उत्पादन लागत और छोटे बाज़ार के कारण कार्यक्रम रद्द कर दिया, किराए खत्म किए, वाहनों को वापस लिया और अधिकांश को नष्ट कर दिया। नागरिक विरोध प्रदर्शन हुए; Francis Ford Coppola उन चंद लोगों में से एक थे जो अपनी कार रख पाए। EV1 के अंत को आखिरकार किस बात ने तय किया, यह आज भी बहस का विषय है: प्रचलित कथा लागत और बाज़ार के आकार को उजागर करती है, जबकि एक वैकल्पिक पढ़ाई GM के 1992 के वित्तीय संकट और प्रबंधन परिवर्तन (Jack Smith के CEO बनने) को केंद्र में रखती है। साझा बिंदु यह है: लेड-एसिड और NiMH केमिस्ट्री, एक कार को लाभदायक और व्यावहारिक बनाने वाले ऊर्जा घनत्व तक नहीं पहुंच पाईं। जो हिस्सा गायब था, वह लिथियम-आयन था।

लिथियम-आयन क्रांति कैसे शुरू हुई?

लिथियम-आयन बैटरी पर मूल शोध 1970 के दशक में प्रकाशित हुआ; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham और Akira Yoshino ने इस काम के लिए 2019 का नोबेल केमिस्ट्री पुरस्कार साझा किया। व्यावसायिक सफलता 1991 में आई: Sony ने Yoshino के डिज़ाइन का उपयोग करते हुए दुनिया की पहली रिचार्जेबल लिथियम-आयन बैटरियों का उत्पादन और बिक्री शुरू की - "लिथियम-आयन" नाम भी इसी उत्पाद को मिला। बैटरी पहले कैमरों में, फिर अन्य उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में पहुंची; इलेक्ट्रिक वाहन अभी नक्शे पर नहीं था, लेकिन उसे संभव बनाने वाला ऊर्जा भंडार अब बड़े पैमाने पर उत्पादन में था।

शुरुआती आंकड़े बताते हैं कि इस तकनीक ने क्यों बढ़त बनाई। पहली व्यावसायिक सेलें ~200 Wh/L आयतनिक ऊर्जा घनत्व देती थीं - समकालीन सिस्टम से लगभग दोगुना। ग्रेविमेट्रिक घनत्व 100-120 Wh/kg बैंड से 300 Wh/kg से ऊपर पहुंच गया; बिक्री के पहले दिन से अब तक तीन दशकों में आयतनिक घनत्व तीन गुना हो गया। सबसे चौंकाने वाला आंकड़ा लागत का है: लिथियम-आयन बैटरियां प्रति kWh ~9,200 डॉलर से घटकर 78 डॉलर पर आ गईं - 99% से अधिक की गिरावट। तकनीकी संक्रमण ज्यादातर या तो प्रदर्शन देते हैं या लागत में गिरावट; लिथियम-आयन ने दोनों एक साथ किए और यह एक कार को बदलने के लिए काफी था।

मानदंड1991 (पहली व्यावसायिक सेलें)दशकों बाद
लागत (प्रति kWh)~9,200 $78 $
आयतनिक ऊर्जा घनत्व~200 Wh/Lतीन गुना हुआ
ग्रेविमेट्रिक घनत्व100-120 Wh/kg300 Wh/kg से अधिक
पहला राजमार्ग-कानूनी EV उपयोगकर्ताNissan Altra EV (1998)

लैब से कार तक: tzero से Tesla Roadster तक फैली लाइन

जब उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स लिथियम-आयन सेल सुलभ हुए, तो ऑटोमोबाइल इंजीनियर इसे सबसे पहले नोटिस करने वालों में से थे। 1997 में एलन कोकोनी की कंपनी AC Propulsion ने tzero को पेश किया: 150 kW (201 hp) और लेड-एसिड बैटरी के साथ। मार्टिन एबरहार्ड ने लिथियम-आयन वाला एक tzero ऑर्डर किया; परिणाम 0-60 mph में 3.7 सेकंड था - और अनुमानित लागत 220,000 डॉलर थी। यह प्रोटोटाइप साबित करता था कि कम मात्रा लेकिन उच्च कीमत वाली एक लिथियम-आयन स्पोर्ट्स कार विपणन योग्य हो सकती है।

2003 में एबरहार्ड और मार्क टारपेनिंग ने Tesla Motors की स्थापना की; एलन मस्क ने पहले AC Propulsion को उत्पादन करने के लिए मनाने की कोशिश की, फिर Tesla में निवेश किया। 2008 में Tesla Roadster का उत्पादन शुरू हुआ: लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग करने वाली दुनिया की पहली सीरियल उत्पादित इलेक्ट्रिक स्पोर्ट्स कार। पहली पीढ़ी AC Propulsion लाइसेंस प्राप्त पावर सिस्टम का उपयोग करती थी और Lotus Elise के कंपोनेंट्स पर निर्मित होती थी। तकनीकी तस्वीर ऐसी थी:

  • EPA रेंज: 244 मील (393 किमी) - 200 मील की रेंज दिखाने वाले पहले उत्पादन वाहनों में से एक।
  • 0-100 किमी/घंटा: 3.9 सेकंड; 288 hp.
  • पैकेज: 53 kWh लिथियम-आयन।
  • उत्पादन: 2008-2012 के बीच 2,400 से अधिक इकाइयां; 2010 कीमत 109,000 डॉलर।
  • स्थायित्व: औसत पैकेज से 100,000 मील के बाद प्रारंभिक क्षमता का 80-85% बनाए रखने की उम्मीद थी।

Roadster का असली योगदान तकनीक नहीं, बल्कि प्रमाण था: लिथियम-आयन पैकेज के साथ असली रेंज, असली प्रदर्शन और उचित बैटरी जीवन एक ही वाहन में साथ-साथ रह सकते थे। 2011 में Nissan Leaf, विशेष प्लेटफॉर्म वाली पहली बड़े निर्माता की EV के रूप में 24.0 kWh लिथियम-आयन पैकेज के साथ सड़क पर उतरी और जनवरी 2018 में 300,000 से अधिक बिक्री के साथ इतिहास की सबसे अधिक बिकने वाली पूरी-तरह इलेक्ट्रिक कार बनी; यह रिकॉर्ड बाद में Tesla Model 3 ने अपने नाम किया। EV1 से बचा इंजीनियरिंग अनुभव Chevrolet Volt और Bolt लाइनों में जीवित रहा।

रूपांतरण आज कहां खड़ा है?

Bugünün 10 milyon elektrikli aracı, 1991'de bir kamera bataryasıyla başlayan zincirin uzantısıdır.

लिथियम-आयन का ऑटोमोटिव उद्योग को नया रूप देना पैमाने से मापा जाता है: 2020 के अंत तक हल्की श्रेणी के प्लग-इन इलेक्ट्रिक वाहनों की संचयी बिक्री 10 मिलियन इकाइयों से अधिक हो गई। लागत वक्र गिरता जा रहा है - बैटरी पैक की कीमतों के 2026 तक लगभग 80 $/kWh तक आने की उम्मीद है; 2025 में LFP केमिस्ट्री वाले पैक अन्य केमिस्ट्री की तुलना में प्रति kWh औसतन 40% से अधिक सस्ते हैं। क्रांति का पहला अध्याय लिथियम-आयन ने लिखा; अगला अध्याय सॉलिड-स्टेट बैटरी के साथ लिखा जाएगा या नहीं, यह एक खुला इंजीनियरिंग प्रश्न बना हुआ है।

निष्कर्ष: हार्डवेयर क्रांति ने बाजार क्रांति को कैसे संभव बनाया?

इलेक्ट्रिक कार के पास 1900 में बाजार हिस्सेदारी थी लेकिन उसकी बैटरी इस हिस्सेदारी को बरकरार नहीं रख सकी; GM EV1 उत्पाद बनाया लेकिन उसकी बैटरी लाभप्रदता को सहन नहीं कर सकी। लिथियम-आयन ने दोनों सीमाओं को पार किया: ऊर्जा घनत्व ने रेंज को, लागत वक्र ने कीमत को हल किया। Tesla Roadster इन दो वक्रों के प्रतिच्छेदन पर बनी पहली कार थी; आज का 10 मिलियन का बेड़ा 1991 में एक कैमरा बैटरी से शुरू हुई श्रृंखला का विस्तार है। हार्डवेयर तैयार हुआ, बाजार ने उसका पीछा किया - क्रम इसी दिशा में रहा और कभी इसके विपरीत नहीं।

स्रोत