जापान ने सुरक्षित और कुशल भंडारण के लिए 90 C हाइड्रोजन बैटरी विकसित की

90 C पर काम करने वाली हाइड्रोजन बैटरी अब क्यों अहम है

जापान के शोधकर्ताओं ने ऐसी हाइड्रोजन बैटरी पेश की है जो हाइड्रोजन को लगभग 90 C, यानी 194 F पर संग्रहीत और मुक्त करती है। यह परिचालन तापमान मैग्नीशियम हाइड्राइड पर आधारित ठोस हाइड्रोजन भंडारण प्रणालियों के लिए आम तौर पर जरूरी 300 से 400 C से काफी कम है। यह उपलब्धि हाइड्रोजन ऊर्जा प्रणाली की सबसे कठिन चुनौती का समाधान करती है: भरोसेमंद और सुरक्षित भंडारण, जो कुशल भी हो और प्रतिवर्ती भी। इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो के रिसर्च सेंटर फॉर ऑल सॉलिड स्टेट बैटरी की टीम ने यह प्रगति बताई है। टीम का नेतृत्व डॉ. ताकाशी हिरोसे ने किया, जिसमें सहायक प्रोफेसर नाओकी मात्सुई और इंस्टीट्यूट प्रोफेसर रयोजी कान्नो शामिल थे। यह शोध 18 सितंबर, 2025 को जर्नल Science में प्रकाशित हुआ।

हाइड्रोजन इस्तेमाल के समय कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित किए बिना ऊर्जा को अलग-अलग समय और स्थानों तक पहुंचा सकती है। लेकिन इसका भंडारण लंबे समय से एक बड़ी चुनौती रहा है। संपीड़ित गैस रखने वाले टैंक भारी और महंगे होते हैं, जबकि तरल हाइड्रोजन के लिए लगभग माइनस 253 C के क्रायोजेनिक तापमान की जरूरत होती है। पानी के क्वथनांक के आसपास काम करने वाली व्यावहारिक ठोस भंडारण प्रणाली से वाहनों, औद्योगिक संयंत्रों और नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण की डिजाइन संबंधी संभावनाएं बदल सकती हैं। नई सेल भंडारण माध्यम के रूप में मैग्नीशियम हाइड्राइड और हाइड्राइड आयनों का संवहन करने वाला विशेष ठोस इलेक्ट्रोलाइट इस्तेमाल करती है। इससे ऐसी तापमान सीमा पर पूरी क्षमता के साथ चार्ज-डिस्चार्ज संभव होता है, जिसे वास्तविक उपकरण संभाल सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने क्या बनाया

यह उपकरण एक विद्युत-रासायनिक सेल है, जिसमें हाइड्रोजन को सक्रिय आवेश वाहक की तरह इस्तेमाल किया जाता है। मैग्नीशियम हाइड्राइड, जिसे MgH2 लिखा जाता है, एनोड का काम करता है और इसमें हाइड्रोजन संग्रहीत रहती है। हाइड्रोजन गैस कैथोड है। इनके बीच नया विकसित ठोस इलेक्ट्रोलाइट है, जो कमरे के तापमान पर भी हाइड्राइड आयनों का तेजी से संवहन करता है। इलेक्ट्रोलाइट की संरचना Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 है। इसमें एंटी-अल्फा AgI प्रकार की क्रिस्टल संरचना है, जो सुपरआयोनिक व्यवहार के लिए जानी जाती है और हाइड्राइड आयनों को ठोस पदार्थ में आसानी से आगे बढ़ने का रास्ता देती है।

सेल कैसे चार्ज और डिस्चार्ज होती है

चार्जिंग के दौरान एनोड, MgH2 से हाइड्राइड आयन मुक्त करता है। ये आयन ठोस इलेक्ट्रोलाइट से होते हुए हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की ओर जाते हैं, जहां उनका ऑक्सीकरण होकर हाइड्रोजन गैस बनती है। डिस्चार्ज के दौरान कैथोड पर हाइड्रोजन गैस का अपचयन होकर हाइड्राइड आयन बनते हैं। ये आयन इलेक्ट्रोलाइट से वापस एनोड की ओर जाते हैं, जहां मैग्नीशियम के साथ प्रतिक्रिया करके फिर से MgH2 बनाते हैं। यह प्रक्रिया पूरी तरह प्रतिवर्ती है, इसलिए वही सामग्री अत्यधिक गर्मी की जरूरत के बिना लगभग 90 C पर बार-बार हाइड्रोजन संग्रहीत और मुक्त कर सकती है।

विद्युत-रासायनिक दृष्टि से, यह सेल सामान्य केवल-इलेक्ट्रॉन वाली प्रक्रिया की जगह ऐसी व्यवस्था अपनाती है जिसमें हाइड्रोजन सीधे भाग लेती है। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान लगाया गया वोल्टेज और करंट हाइड्राइड आयनों की गति को नियंत्रित करते हैं। यह नियंत्रण कई तापीय भंडारण प्रणालियों में जरूरी अत्यधिक गर्मी की जगह लेता है, जिससे ऊर्जा की हानि घटती है और सिस्टम की डिजाइन सरल होती है।

हाइड्रोजन का भंडारण कठिन क्यों है

संपीड़ित हाइड्रोजन टैंक अक्सर 350 से 700 bar तक के दबाव पर काम करते हैं। गैस को संपीड़ित करने में लगने वाली ऊर्जा से कुल दक्षता घटती है, और किसी भी मोबाइल उपयोग में टैंकों से वजन और लागत बढ़ती है। तरल हाइड्रोजन में बड़े टैंकों की जरूरत नहीं होती, लेकिन उसकी अपनी चुनौतियां हैं। हाइड्रोजन को द्रव बनाने के लिए 21 K से नीचे ठंडा करना पड़ता है, जिसके लिए ऊर्जा-खपत करने वाले क्रायोजेनिक उपकरण चाहिए। वाष्पीकरण से होने वाली हानि लगातार चुनौती बनी रहती है, खासकर गर्म वातावरण में और धीमी खपत के दौरान।

ठोस पदार्थ एक दूसरा विकल्प देते हैं। वे कम दबाव पर हाइड्रोजन को सघन रूप में रख सकते हैं। सबसे अधिक अध्ययन किए गए कई हाइड्राइड केवल बहुत अधिक तापमान पर ही हाइड्रोजन छोड़ते हैं। गर्मी की जरूरत से सिस्टम जटिल होते हैं और कुल चक्र दक्षता घटती है। तरल इलेक्ट्रोलाइट का इस्तेमाल करने वाले कम तापमान के विद्युत-रासायनिक तरीकों में भी दिक्कतें आई हैं, क्योंकि लिथियम या सोडियम बैटरियों के लिए बने तरल पदार्थों में हाइड्राइड आयन अच्छी तरह नहीं चलते। इसलिए उनकी क्षमता, सैद्धांतिक रूप से ठोस पदार्थों में रखी जा सकने वाली क्षमता से बहुत कम रही है। जापानी टीम ने हाइड्राइड आयनों को तेजी से चलाने के लिए बने ठोस पदार्थ का इस्तेमाल करके इस परिवहन संबंधी बाधा को दूर किया है।

नए ठोस इलेक्ट्रोलाइट के भीतर

यह इलेक्ट्रोलाइट हाइड्राइड आयन का संवाहक है और इसकी संरचना एंटी-अल्फा AgI प्रकार की है। इसमें बेरियम, कैल्शियम और सोडियम ऐसे स्थानों पर मौजूद हैं जो जगहों और चैनलों का एक नेटवर्क बनाते हैं। हाइड्राइड आयन बहुत कम प्रतिरोध के साथ चतुष्फलकीय और अष्टफलकीय स्थानों के बीच जा सकते हैं। इससे कमरे के तापमान पर भी उच्च आयनिक चालकता मिलती है। आयनों की यही तेज गति मैग्नीशियम हाइड्राइड सेल के लिए 90 C पर काम करना संभव बनाती है।

तेज गति के अलावा, यह पदार्थ विद्युत-रासायनिक स्थिरता भी दिखाता है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट मिश्रण संबंधी समस्याओं और उन अनचाही पार्श्व प्रतिक्रियाओं को रोकता है जो तरल प्रणालियों में हो सकती हैं। ठोस विभाजक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड को मैग्नीशियम हाइड्राइड से अलग रखता है, लेकिन हाइड्राइड आयनों को गुजरने देता है। यह व्यवस्था बार-बार स्थिर चार्ज-डिस्चार्ज में मदद करती है और रिसाव या वाष्पशीलता से जुड़े सुरक्षा जोखिम घटाती है। बेरियम, कैल्शियम और सोडियम का अनुपात बदलकर संरचना में बदलाव किया जा सकता है। इससे चालकता, स्थिरता और विनिर्माण क्षमता बेहतर करने के लिए शोध का रास्ता खुलता है।

प्रदर्शन और आंकड़ों का मतलब

प्रोटोटाइप ने मैग्नीशियम हाइड्राइड की पूरी सैद्धांतिक भंडारण क्षमता हासिल की: लगभग 2,030 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम, जो वजन के हिसाब से 7.6 प्रतिशत हाइड्रोजन के बराबर है। व्यावहारिक हाइड्रोजन भंडारण माध्यम के लिए यह एक ऊंचा मानक है। लगभग 90 C पर काम करने वाली सेल में यह क्षमता हासिल करना एक बड़ा बदलाव है, क्योंकि इसमें उच्च क्षमता के साथ व्यावहारिक इंजीनियरिंग सीमाओं के भीतर काम करना संभव होता है।

इसकी मुख्य वजह यह है कि इलेक्ट्रोलाइट कमरे के तापमान पर हाइड्राइड आयनों की तेज गति को सक्षम बनाता है। इसके बाद मैग्नीशियम हाइड्राइड की प्रतिक्रिया को जारी रखने के लिए सेल को केवल मध्यम स्तर तक गर्म करना पड़ता है, जिससे ऊर्जा बर्बाद नहीं होती। 100 C से कम तापमान पर काम करने से कई सौ डिग्री सेल्सियस की जरूरत वाले सिस्टम की तुलना में हीटर, इन्सुलेशन, सील और सुरक्षा उपाय सरल हो जाते हैं। कम परिचालन तापमान से तापीय एकीकरण भी आसान होता है। ईंधन सेल स्टैक या इंजन की अपशिष्ट गर्मी भंडारण सेल को उसकी कार्यशील तापमान सीमा में रखने में मदद कर सकती है।

वास्तविक इस्तेमाल के लिए प्रतिवर्तनीयता अहम है। टीम के मुताबिक, कम तापमान पर पूरी क्षमता के साथ बार-बार हाइड्रोजन का भंडारण और निष्कासन किया गया। पहले के तापीय या तरल इलेक्ट्रोलाइट तरीकों से यह हासिल नहीं हुआ था। उच्च ऊर्जा घनत्व, कम तापमान और बार-बार स्थिर चार्ज-डिस्चार्ज का यह मेल इस विचार को प्रयोगशाला की जिज्ञासा से आगे ले जाकर ऐसे मंच की दिशा में बढ़ाता है जिसे डेवलपर वाहनों या स्थिर भंडारण उपकरणों में जोड़ सकते हैं।

वाहनों से लेकर ग्रिड भंडारण तक संभावित उपयोग

सड़क परिवहन में हाइड्रोजन ईंधन सेल वाहनों को ऐसे सघन भंडारण की जरूरत होती है जो सुरक्षित, हल्का और कुशल हो। पानी के क्वथनांक के आसपास काम करने वाली ठोस भंडारण प्रणाली उच्च दबाव वाले टैंकों पर निर्भरता का कुछ बोझ कम कर सकती है। हाइड्रोजन बैटरी मॉड्यूल किसी स्टेशन पर वहीं उत्पादित हाइड्रोजन को सोखकर चार्ज हो सकता है और बाद में मांग के अनुसार गैस छोड़कर ईंधन सेल स्टैक को चला सकता है। प्रतिवर्ती ठोस डिजाइन से जटिल क्रायोजेनिक या बहुत उच्च दबाव वाली प्रणालियों की जरूरत घटती है, जिससे कारों, ट्रकों और बसों की लागत कम हो सकती है और उन्हें डिजाइन करने के विकल्प बढ़ सकते हैं।

बिजली क्षेत्र में हाइड्रोजन बैटरी अनियमित रूप से उपलब्ध स्रोतों के साथ स्वाभाविक रूप से मेल खाती है। बिजली प्रचुर मात्रा में होने पर सौर या पवन ऊर्जा से इलेक्ट्रोलाइज़र चलाकर हाइड्रोजन बनाई जा सकती है। हाइड्रोजन बैटरी इस गैस को कम दबाव पर सोखकर रख सकती है और बाद में अधिक मांग के समय या नवीकरणीय ऊर्जा का उत्पादन कम होने पर उसे ईंधन सेल या टरबाइन में इस्तेमाल के लिए छोड़ सकती है। यह तरीका माइक्रोग्रिड, मुख्य ग्रिड से अलग प्रणालियों और दूरस्थ सुविधाओं के लिए उपयुक्त है, जहां बड़े टैंकों के समूह व्यावहारिक नहीं होते।

औद्योगिक उपयोगकर्ताओं को भरोसेमंद और लचीली हाइड्रोजन आपूर्ति चाहिए। इस्पात निर्माण, अमोनिया उत्पादन और रिफाइनरी संचालन में प्रक्रियाओं को स्थिर रखने के लिए निर्बाध आपूर्ति जरूरी है। मॉड्यूलर ठोस भंडारण बैंक आपूर्ति और उत्पादन में अल्पकालिक उतार-चढ़ाव को संभालने वाला बफर दे सकता है। कम तापमान पर काम करने और ठोस संरचना से संयंत्रों के भीतर इसकी स्थापना सरल हो सकती है और क्रायोजेनिक भंडारण की तुलना में अनुमति संबंधी अड़चनें घट सकती हैं।

इंजीनियरिंग और बड़े पैमाने पर उत्पादन की चुनौतियां

सेल को लगभग 90 C पर रखना 300 C पर चलाने से आसान है, फिर भी इसके लिए तापीय प्रबंधन जरूरी है। ठंडी जलवायु में तापमान बनाए रखने और गर्म परिस्थितियों में अत्यधिक गर्म होने से बचाने के लिए डिजाइनरों को हीटर, इन्सुलेशन और नियंत्रण व्यवस्था जोड़नी होगी। तेज चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान तापमान में अचानक बदलाव को सावधानी से संभालना होगा, ताकि पदार्थों में दरार न पड़े और वे खराब न हों।

सामग्री और विनिर्माण अहम होंगे। यह इलेक्ट्रोलाइट कई घटकों वाला हाइड्राइड है, जो ऑक्सीजन और नमी के प्रति संवेदनशील है। सही स्टॉइकियोमेट्री, कण आकार और शुद्धता वाले पाउडर बनाना और फिर सघन, दोषरहित विभाजक तैयार करना नियंत्रित वातावरण और गुणवत्ता जांच की मांग करेगा। मैग्नीशियम हाइड्राइड पानी और ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, इसलिए पैक की डिजाइन में हवा और नमी को बाहर रखने के लिए सील जरूरी होंगी। चार्ज-डिस्चार्ज के दौरान आयतन में बदलाव से होने वाली यांत्रिक टूट-फूट की जांच भी जरूरी है, क्योंकि हाइड्राइड फैलते और सिकुड़ते हैं। प्रतिरोध कम और उपयोगी जीवन लंबा रखने के लिए डेवलपर कोटिंग, बाइंडर और स्टैक दबाव नियंत्रण पर काम करेंगे।

सिस्टम एकीकरण में हाइड्रोजन सुरक्षा से जुड़े सामान्य सवाल आते हैं। गैस प्रबंधन उपकरणों को रिसाव रोकना और गैस को सुरक्षित रूप से बाहर निकालना होगा। सेंसर, वाल्व और रेगुलेटर को ठोस भंडारण स्टैक के साथ काम करना होगा, ताकि पूरा सिस्टम नियमों और मानकों पर खरा उतरे। वाहनों में उपयोग की राह आकार, वजन और लागत तय करेंगे। स्थिर उपयोगों में इलेक्ट्रोलाइज़र से लेकर ईंधन सेल और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स तक, पूरे सहायक सिस्टम का आकार इस तरह तय करना होगा कि कुल चक्र दक्षता विकल्पों से बेहतर हो। दीर्घकालिक प्रदर्शन और रखरखाव की जरूरतें जानने के लिए बढ़ते पैमाने पर पायलट परियोजनाएं जरूरी होंगी।

भंडारण के अन्य विकल्पों से तुलना

संपीड़ित गैस प्रणालियां सरल हैं, लेकिन गैस संपीड़ित करने में ऊर्जा खर्च होती है और मजबूत, भारी टैंकों की जरूरत पड़ती है। तरल हाइड्रोजन में ऊर्जा सघन रूप में रखी जा सकती है, लेकिन वाष्पीकरण से होने वाली हानि रोकने के लिए क्रायोजेनिक उपकरण और सावधानीपूर्वक संचालन जरूरी है। हाइड्रोजन बैटरी इस संतुलन को बदलती है। इसमें हाइड्राइड आयनों को चलाने और हाइड्रोजन को उच्च क्षमता वाले ठोस पदार्थ में रखने के लिए मध्यम गर्मी और बिजली का उपयोग होता है। क्रायोजेनिक उपकरण और बहुत उच्च दबाव वाले पात्रों की जरूरत न होने से सुरक्षा व्यवस्था सरल हो सकती है और सहायक ऊर्जा की खपत घट सकती है।

एलानेट या बोरोहाइड्राइड जैसे जटिल हाइड्राइड समेत अन्य ठोस भंडारण पदार्थों में अक्सर उत्प्रेरक की जरूरत पड़ती है, फिर भी वे ऊंचे तापमान पर धीमी प्रतिक्रिया के साथ काम करते हैं। मैग्नीशियम हाइड्राइड हल्का और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है। इसे तेज हाइड्राइड आयन संवाहक के साथ जोड़ने से प्रक्रिया की गति सीमित करने वाला चरण बदल जाता है। मध्यम गर्मी हाइड्रोजन छोड़ने और ग्रहण करने की रासायनिक प्रक्रिया संभालती है, जबकि इलेक्ट्रोलाइट आयनों का परिवहन करता है। काम का यही बंटवारा सुलभ तापमान पर पूरी क्षमता हासिल करना संभव बनाता है।

अगले चरण में किन बातों पर नजर रखें

छोटी प्रयोगशाला सेल से आगे स्वतंत्र रूप से नतीजों की पुष्टि और बड़े पैमाने पर उत्पादन अगले पड़ाव होंगे। बड़े आकार की सेल और स्टैक को सैकड़ों या हजारों चक्रों में स्थिर संचालन के साथ वही क्षमता और प्रतिवर्तनीयता दिखानी होगी। तेज चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान प्रदर्शन, बार-बार चालू-बंद करने पर प्रतिक्रिया और दुरुपयोग की स्थितियों में सुरक्षा पर उद्योग की करीबी नजर रहेगी।

व्यावसायिक रास्ते अक्सर साझेदारियों पर निर्भर करते हैं। वाहन निर्माता, ऊर्जा डेवलपर और औद्योगिक गैस आपूर्तिकर्ता संग्रहीत हाइड्रोजन की प्रति किलोग्राम लागत, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के पूरे चक्र में सिस्टम की ऊर्जा दक्षता और रखरखाव की जरूरतों का आकलन करेंगे। अगर इलेक्ट्रोलाइट और पैक हार्डवेयर की विनिर्माण विधियां मानकीकृत हो जाती हैं और चक्र-आयु का प्रदर्शन मजबूत रहता है, तो यह तकनीक ऐसी पायलट परियोजनाओं तक पहुंच सकती है जिनमें वास्तविक परिस्थितियों में इलेक्ट्रोलाइज़र, हाइड्रोजन बैटरी मॉड्यूल और ईंधन सेल को जोड़ा जाएगा।

मुख्य बिंदु

• जापानी शोधकर्ताओं ने लगभग 90 C पर काम करने वाली हाइड्रोजन बैटरी की जानकारी दी है। यह पहले की मैग्नीशियम हाइड्राइड प्रणालियों के लिए जरूरी 300 से 400 C से काफी कम है।
• इस सेल में एनोड के रूप में मैग्नीशियम हाइड्राइड, कैथोड के रूप में हाइड्रोजन गैस और हाइड्राइड आयनों का तेजी से संवहन करने वाला ठोस इलेक्ट्रोलाइट इस्तेमाल होता है।
• Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85 इलेक्ट्रोलाइट की संरचना एंटी-अल्फा AgI प्रकार की है, जो कमरे के तापमान पर उच्च आयनिक चालकता संभव बनाती है।
• परीक्षण में मैग्नीशियम हाइड्राइड की पूरी सैद्धांतिक क्षमता हासिल हुई: लगभग 2,030 mAh प्रति ग्राम, जो वजन के हिसाब से 7.6 प्रतिशत हाइड्रोजन के बराबर है।
• 100 C से कम तापमान पर काम करने से ऊर्जा की हानि घटती है और अधिक गर्मी वाले सिस्टम की तुलना में तापीय प्रबंधन, सील और सुरक्षा उपाय सरल होते हैं।
• प्रतिवर्ती चक्र पारंपरिक तापीय तरीकों में जरूरी अत्यधिक गर्मी के बिना बार-बार हाइड्रोजन का भंडारण और निष्कासन करता है।
• संभावित उपयोगों में वाहन भंडारण मॉड्यूल, इलेक्ट्रोलाइज़र के साथ ग्रिड-पैमाने का ऊर्जा भंडारण और औद्योगिक बफरिंग शामिल हैं।
• मुख्य चुनौतियों में तापीय प्रबंधन, हवा और नमी से सुरक्षा, चक्र-आयु, विनिर्माण क्षमता और सिस्टम एकीकरण शामिल हैं।
• इस काम का नेतृत्व इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो में डॉ. ताकाशी हिरोसे ने किया। टीम में सहायक प्रोफेसर नाओकी मात्सुई और इंस्टीट्यूट प्रोफेसर रयोजी कान्नो शामिल थे।
• निष्कर्ष 18 सितंबर, 2025 को Science में प्रकाशित हुए। अब इस तकनीक की स्वतंत्र पुष्टि और बड़े पैमाने पर उत्पादन की जांच होगी।