నిర్దిష్ట శక్తి అంటే ఏమిటి?

నిర్దిష్ట శక్తి ఒక పదార్థం లేదా వ్యవస్థ యొక్క యూనిట్ ద్రవ్యరాశికి నిల్వ చేయబడిన శక్తిని కొలుస్తుంది. కిలోగ్రాముకు జూల్స్‌లో (J/kg) లేదా వాట్{1}}గంటలకు కిలోగ్రాము (Wh/kg)లో వ్యక్తీకరించబడిన ఈ కొలమానం, ఇచ్చిన ద్రవ్యరాశి ఎంత వినియోగించదగిన శక్తిని కలిగి ఉందో నిర్ణయిస్తుంది, ఇది శక్తి నిల్వ సాంకేతికతలను పోల్చడానికి మరియు మెటీరియల్ సామర్థ్యాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది అవసరం.

నిర్దిష్ట శక్తి శక్తి సాంద్రత నుండి ప్రాథమికంగా భిన్నంగా ఉంటుంది, అయినప్పటికీ నిబంధనలు తరచుగా గందరగోళానికి గురవుతాయి. శక్తి సాంద్రత యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు శక్తిని కొలుస్తుంది (Wh/L), నిర్దిష్ట శక్తి ద్రవ్యరాశిపై ప్రత్యేకంగా దృష్టి పెడుతుంది. వ్యోమనౌక నుండి పోర్టబుల్ ఎలక్ట్రానిక్స్ నుండి ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల వరకు డిజైన్ నిర్ణయాలకు-బరువు పరిమితులు కారణమయ్యే అప్లికేషన్‌లలో ఈ వ్యత్యాసం చాలా ముఖ్యమైనది.

నిర్దిష్ట శక్తి వెనుక ఉన్న భౌతికశాస్త్రం నిల్వ చేయబడిన శక్తి మరియు దానిని కలిగి ఉండటానికి అవసరమైన ద్రవ్యరాశి మధ్య సంబంధాన్ని కలిగి ఉంటుంది. బ్యాటరీలలో, ఇది ఎలక్ట్రోడ్లు, ఎలక్ట్రోలైట్, సెపరేటర్లు మరియు కేసింగ్ యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశితో విభజించబడిన రసాయన ప్రతిచర్యల నుండి శక్తిని కలిగి ఉంటుంది. ఇంధనాల కోసం, ఇది ఇంధన ద్రవ్యరాశికి సంబంధించి దహన సమయంలో విడుదలయ్యే వేడిని సూచిస్తుంది.

Specific Energy

లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు ఆధునిక సాంకేతికతలో నిర్దిష్ట శక్తి ఎందుకు అవసరమో తెలియజేస్తాయి. ప్రస్తుత లిథియం{2}}అయాన్ కణాలు 250-270 Wh/kg మధ్య నిర్దిష్ట శక్తిని సాధిస్తాయి, స్మార్ట్‌ఫోన్‌లు గంటల తరబడి నడపడానికి మరియు ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు వందల మైళ్లు ప్రయాణించేలా చేస్తాయి. పోల్చి చూస్తే, సాంప్రదాయ లెడ్-యాసిడ్ బ్యాటరీలు కేవలం 30-50 Wh/kg మాత్రమే బట్వాడా చేస్తాయి, తక్కువ ధర ఉన్నప్పటికీ వాటిని పోర్టబుల్ అప్లికేషన్‌లలో ఎందుకు ఎక్కువగా భర్తీ చేశారో వివరిస్తుంది.

ఇటీవలి ఆవిష్కరణలు ఈ సరిహద్దులను మరింత ముందుకు నెట్టాయి. అభివృద్ధిలో ఉన్న ఘన-స్టేట్ బ్యాటరీలు 350 Wh/kg కంటే ఎక్కువ నిర్దిష్ట శక్తులను వాగ్దానం చేస్తాయి, అయితే Amprius వంటి కంపెనీల నుండి అధునాతన లిథియం{3}}మెటల్ సిస్టమ్‌లు ప్రత్యేక విమానయాన అనువర్తనాల్లో 400 Wh/kgని ప్రదర్శించాయి. ఈ మెరుగుదలలు బరువును జోడించకుండా నేరుగా సుదీర్ఘ పరికర రన్‌టైమ్ లేదా పొడిగించిన వాహన పరిధికి అనువదిస్తాయి.

బ్యాటరీల నిర్దిష్ట శక్తి అనేక అంశాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది: ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలు, సెల్ కెమిస్ట్రీ మరియు డిజైన్ సామర్థ్యం. నికెల్-రిచ్ కాథోడ్‌లు శక్తి నిల్వను పెంచుతాయి కానీ స్థిరత్వ సవాళ్లను కలిగి ఉంటాయి. సాంప్రదాయ గ్రాఫైట్ కంటే సిలికాన్ యానోడ్‌లు అధిక సామర్థ్యాన్ని అందిస్తాయి కానీ ఛార్జింగ్ సమయంలో వాల్యూమ్ విస్తరణను అనుభవిస్తాయి. ప్రతి డిజైన్ ఎంపిక నిర్దిష్ట శక్తి మరియు సైకిల్ జీవితం, భద్రత మరియు ఖర్చు వంటి ఇతర పనితీరు లక్షణాల మధ్య పరస్పర మార్పిడిని సూచిస్తుంది.

శిలాజ ఇంధనాలు బ్యాటరీల కంటే ఎక్కువ నిర్దిష్ట శక్తిని కలిగి ఉంటాయి. గ్యాసోలిన్ సుమారు 12,700 Wh/kg (46 MJ/kg) కలిగి ఉండగా, డీజిల్ 13,000 Wh/kgకి చేరుకుంటుంది. దశాబ్దాలుగా బ్యాటరీ పురోగమించినప్పటికీ, ద్రవ ఇంధనాలు విమానయానంలో మరియు సుదూర రవాణాలో అధిక బరువును ఎందుకు కలిగి ఉన్నాయో ఇక్కడ వివరిస్తుంది.

హైడ్రోజన్ 33,300 Wh/kg-గ్యాసోలిన్ కంటే దాదాపు మూడు రెట్లు నిర్దిష్ట శక్తితో ఆసక్తికరమైన సందర్భాన్ని అందిస్తుంది. అయినప్పటికీ, దాని అత్యంత తక్కువ సాంద్రతకు అధిక-ప్రెజర్ కంప్రెషన్ లేదా క్రయోజెనిక్ శీతలీకరణ అవసరం, సిస్టమ్ మాస్ జోడించడం వలన ఆచరణాత్మక నిర్దిష్ట శక్తిని గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది. సహజ వాయువు అదేవిధంగా యూనిట్ ద్రవ్యరాశికి అధిక నిర్దిష్ట శక్తిని కలిగి ఉంటుంది కానీ భారీ నిల్వ వ్యవస్థలు అవసరం.

పోషణలో, నిర్దిష్ట శక్తి కేలరీల సాంద్రతను నిర్ణయిస్తుంది. కొవ్వులు దాదాపు 38 kJ/g (9 Cal/g)ని అందిస్తాయి, 16{6}}17 kJ/g (ఒక్కొక్కటి 4 Cal/g) వద్ద ప్రొటీన్లు మరియు కార్బోహైడ్రేట్‌ల కంటే రెట్టింపు కంటే ఎక్కువ. అధిక-కొవ్వు పదార్ధాలు గ్రాముకు ఎక్కువ కేలరీలు ఎందుకు కలిగి ఉంటాయో ఇది వివరిస్తుంది-మాక్రోన్యూట్రియెంట్ యొక్క నిర్దిష్ట శక్తి గణనలో ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుంది.

నీటి కంటెంట్ ఆహార నిర్దిష్ట శక్తిని నాటకీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది, ఎందుకంటే నీరు శక్తిని అందించకుండా ద్రవ్యరాశిని జోడిస్తుంది. తాజా కూరగాయలు 0.5-1 kJ/g మాత్రమే కలిగి ఉండవచ్చు, అయితే ఎండిన కాయలు 25 kJ/g కంటే ఎక్కువగా ఉంటాయి, రెండూ మొక్కల ఆధారిత ఆహారాలు అయినప్పటికీ.

ఎలక్ట్రిక్ వాహన రూపకల్పన నిర్దిష్ట శక్తి పరిమితుల చుట్టూ తిరుగుతుంది. 250 Wh/kg ఉన్న సెల్‌లను ఉపయోగించి 75 kWh బ్యాటరీ ప్యాక్ 300 కిలోల బరువు ఉంటుంది, ఇది వాహన బరువులో దాదాపు 15-20%ని సూచిస్తుంది. బ్యాటరీ నిర్దిష్ట శక్తిని 350 Wh/kgకి పెంచడం వలన ఇది 214 కిలోలకు తగ్గుతుంది, ప్రయాణీకుల సామర్థ్యం లేదా పొడిగించిన పరిధి కోసం 86 కేజీలు ఉచితం.

ఈ బరువు తగ్గింపు వాహనం డిజైన్ ద్వారా క్యాస్కేడ్ అవుతుంది. తేలికైన వాహనాలకు త్వరణం మరియు హిల్ క్లైంబింగ్ కోసం తక్కువ శక్తి అవసరం, చిన్న మోటార్లు మరియు తక్కువ బలమైన సస్పెన్షన్ సిస్టమ్‌లు. ఆటోమోటివ్ పరిశ్రమ 400-500 Wh/kg బ్యాటరీ నిర్దిష్ట శక్తిని లక్ష్యంగా చేసుకుంటుంది, ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలను గ్యాసోలిన్ కార్లతో బరువు-పోటీగా మార్చడానికి, ఇలాంటి శ్రేణికి 50-60 కిలోల ఇంధనాన్ని మాత్రమే తీసుకువెళ్లాలి.

విమానం మరియు అంతరిక్ష నౌకలు మరింత కఠినమైన నిర్దిష్ట శక్తి అవసరాలను ఎదుర్కొంటాయి. కక్ష్యలోకి ఎత్తబడిన ప్రతి కిలోగ్రాముకు వేల డాలర్ల ఇంధనం ఖర్చవుతుంది, ఉపగ్రహాలు మరియు అంతరిక్ష నౌకలకు అధిక నిర్దిష్ట శక్తి బ్యాటరీలు అవసరం. NASA యొక్క మార్స్ రోవర్‌లు విపరీతమైన ఉష్ణోగ్రతలలో నిర్దిష్ట శక్తి మరియు విశ్వసనీయత కలయిక కోసం ప్రత్యేకంగా ఎంచుకున్న లిథియం{2}}అయాన్ కణాలను ఉపయోగిస్తాయి.

ఎలక్ట్రిక్ ఏవియేషన్ అభివృద్ధి బ్యాటరీ పురోగతిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్రస్తుత లిథియం{1}}అయాన్ సాంకేతికత చిన్న డ్రోన్‌లు మరియు స్వల్ప -రేంజ్ అర్బన్ ఎయిర్ మొబిలిటీ వాహనాలను అనుమతిస్తుంది, అయితే ప్రాంతీయ విమానాలు ఆచరణీయంగా మారడానికి 500 Wh/kg కంటే ఎక్కువ నిర్దిష్ట శక్తి అవసరం. చిన్న నిర్దిష్ట శక్తి మెరుగుదలలు కూడా కొత్త ఎయిర్‌క్రాఫ్ట్ డిజైన్‌లను అన్‌లాక్ చేయడం వల్ల ఎలక్ట్రిక్ ఎయిర్‌క్రాఫ్ట్‌ను అనుసరించే కంపెనీలు బ్యాటరీ అభివృద్ధిని నిశితంగా పరిశీలిస్తాయి.

స్మార్ట్‌ఫోన్ తయారీదారులు ఛార్జింగ్ వేగం మరియు భద్రత వంటి ఇతర అంశాలకు వ్యతిరేకంగా నిర్దిష్ట శక్తిని సమతుల్యం చేస్తారు. ఆధునిక ఫోన్‌లు దాదాపు 250-270 Wh/kg సెల్‌లను ఉపయోగిస్తాయి, 150-200 గ్రాముల బరువున్న పరికరాలలో మొత్తం{5}}రోజుల ఆపరేషన్‌ను ప్రారంభిస్తాయి. నిర్దిష్ట శక్తిని పెంచడం వల్ల ఎక్కువ బ్యాటరీ లైఫ్ లేదా సన్నగా, తేలికైన డిజైన్‌లు-రెండూ వినియోగదారులచే విలువైనవిగా ఉంటాయి.

ల్యాప్‌టాప్ బ్యాటరీలు ఒకే విధమైన పరిమితులను ఎదుర్కొంటాయి కానీ విభిన్న ప్రాధాన్యతలతో ఉంటాయి. సాధారణ ల్యాప్‌టాప్ బ్యాటరీ బరువు 300-400 గ్రాములు మరియు 50-100 Wh నిల్వ చేస్తుంది, ఫోన్‌లకు సారూప్యమైన నిర్దిష్ట శక్తితో సెల్‌లను ఉపయోగిస్తుంది కానీ విభిన్న డిశ్చార్జ్ రేట్లు మరియు థర్మల్ లక్షణాల కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయబడింది.

నిర్దిష్ట శక్తి మరియు నిర్దిష్ట శక్తి విభిన్న పనితీరు పరిమాణాలను సూచిస్తాయి. నిర్దిష్ట శక్తి (W/kg) వ్యవస్థ ఎంత త్వరగా శక్తిని అందించగలదో కొలుస్తుంది, అయితే నిర్దిష్ట శక్తి అది ఎంత మొత్తం శక్తిని నిల్వ చేస్తుందో కొలుస్తుంది. అధిక నిర్దిష్ట శక్తి కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన బ్యాటరీలు సాధారణంగా నిర్దిష్ట శక్తిని త్యాగం చేస్తాయి మరియు వైస్ వెర్సా.

లిథియం ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ (LFP) బ్యాటరీలు ఈ వర్తకాన్ని వివరిస్తాయి. అవి నికెల్-సంపన్నమైన ప్రత్యామ్నాయాల కంటే తక్కువ నిర్దిష్ట శక్తిని (120-160 Wh/kg) అందిస్తాయి, అయితే అధిక నిర్దిష్ట శక్తిని మరియు మెరుగైన సైకిల్ జీవితాన్ని అందిస్తాయి. పవర్ టూల్స్ తక్కువ రన్‌టైమ్ అందించినప్పటికీ అధిక-పవర్ సెల్‌లను ఉపయోగిస్తాయి, ఎందుకంటే మోటారు ఆపరేషన్ కోసం తగినంత కరెంట్ అందించడం మొత్తం సామర్థ్యం కంటే ప్రాధాన్యతనిస్తుంది.

రాగోన్ ప్లాట్ ఈ సంబంధాన్ని గ్రాఫికల్‌గా ప్రదర్శిస్తుంది, ఒక అక్షంపై నిర్దిష్ట శక్తిని మరియు మరొకదానిపై నిర్దిష్ట శక్తిని చూపుతుంది. వేర్వేరు బ్యాటరీ కెమిస్ట్రీలు వేర్వేరు ప్రాంతాలను ఆక్రమిస్తాయి, ఏ ఒక్క సాంకేతికత రెండింటిలోనూ రాణించలేదని వెల్లడిస్తుంది. అప్లికేషన్‌లు తప్పనిసరిగా తమ అవసరాలకు సరిపోయే బ్యాటరీలను ఎంచుకోవాలి-దీర్ఘకాలానికి అధిక శక్తి, క్లుప్తంగా పేలుళ్ల కోసం అధిక శక్తి లేదా మిశ్రమ ఉపయోగం కోసం రాజీ డిజైన్‌లను ఎంచుకోవాలి.

నిర్దిష్ట శక్తి ఒక పనితీరు మెట్రిక్‌ను మాత్రమే సూచిస్తుంది. అసాధారణమైన నిర్దిష్ట శక్తి కలిగిన బ్యాటరీ పేలవమైన సైకిల్ జీవితకాలం, భద్రతా సమస్యలు, అధిక ధర లేదా పరిమిత ఉష్ణోగ్రత పరిధిని ఎదుర్కొంటుంది. లిథియం-సల్ఫర్ బ్యాటరీలు అధిక సైద్ధాంతిక నిర్దిష్ట శక్తిని (650 Wh/kg) ప్రదర్శిస్తాయి, అయితే సల్ఫర్ కరిగిపోవడం మరియు వాణిజ్యీకరణను నిరోధించే తక్కువ సైకిల్ లైఫ్‌తో సవాళ్లను ఎదుర్కొంటాయి.

తయారీ ప్రక్రియలు ఆచరణాత్మక నిర్దిష్ట శక్తిని ప్రభావితం చేస్తాయి. ప్రొటెక్టివ్ సర్క్యూట్‌లు, శీతలీకరణ వ్యవస్థలు మరియు నిర్మాణ మూలకాల నుండి జోడించిన ద్రవ్యరాశి కారణంగా సెల్-స్థాయి నిర్దిష్ట శక్తి ప్యాక్{2}}స్థాయి విలువలను మించిపోయింది. 270 Wh/kg సాధించే సెల్ ప్యాక్ లెవల్‌లో 180-200 Wh/kg మాత్రమే పంపిణీ చేస్తుంది-సిస్టమ్ డిజైనర్‌లకు ఇది కీలకమైన వ్యత్యాసం.

ఉష్ణోగ్రత నిర్దిష్ట శక్తి పంపిణీని గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. చల్లని పరిస్థితులు బ్యాటరీ సామర్థ్యాన్ని తగ్గిస్తాయి, ఉత్సర్గ సమయంలో నిర్దిష్ట శక్తిని ప్రభావవంతంగా తగ్గిస్తాయి. ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు శీతాకాలంలో తగ్గిన పరిధిని అనుభవిస్తాయి, ఎందుకంటే బ్యాటరీలు తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద వాటి పూర్తి నిర్దిష్ట శక్తిని అందించలేవు.

Specific Energy

పరిశోధన బహుళ విధానాల ద్వారా నిర్దిష్ట శక్తి మెరుగుదలలను అనుసరిస్తుంది. అధిక నికెల్ కంటెంట్ కలిగిన లిథియం-నికెల్-మాంగనీస్-కోబాల్ట్{4}}ఆక్సైడ్ (NMC) వంటి అధునాతన కాథోడ్ పదార్థాలు సానుకూల ఎలక్ట్రోడ్ వద్ద శక్తి నిల్వను పెంచుతాయి. సిలికాన్-ఆధారిత యానోడ్‌లు గ్రాఫైట్ కంటే ఎక్కువ లిథియంను నిల్వ చేస్తాయి, సామర్థ్యాన్ని పెంచుతాయి. పరిశోధకులు సంబంధిత సవాళ్లను అధిగమించడానికి పని చేస్తున్నప్పుడు ప్రతి పురోగతి నిర్దిష్ట శక్తిని పెంచుతుంది.

గ్రాఫైట్ కంటే ఎక్కువ నిర్దిష్ట శక్తిని అందించే లిథియం మెటల్ యానోడ్‌లను ప్రారంభించడం ద్వారా ఘన-స్టేట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు గణనీయమైన లాభాలను వాగ్దానం చేస్తాయి. క్వాంటమ్‌స్కేప్, సాలిడ్ పవర్ మరియు శామ్‌సంగ్‌తో సహా కంపెనీలు 400-500 Wh/kg నిర్దిష్ట శక్తిని లక్ష్యంగా చేసుకుని వాణిజ్యీకరణను అనుసరిస్తాయి. విజయం ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు మరియు వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్‌లను మారుస్తుంది.

లిథియం-ఎయిర్ బ్యాటరీలు గ్యాసోలిన్‌తో పోల్చదగిన-సిద్ధాంతపరమైన నిర్దిష్ట శక్తి 11,140 Wh/kgకి చేరుకోవడంతో-దీర్ఘకాల అవకాశాన్ని సూచిస్తాయి. అయినప్పటికీ, ఎలక్ట్రోలైట్ స్థిరత్వం, కార్బన్ డయాక్సైడ్ సెన్సిటివిటీ మరియు పరిమిత సైకిల్ లైఫ్‌తో సహా అనేక సాంకేతిక అడ్డంకులు వాటిని ప్రయోగశాలలకు పరిమితం చేస్తాయి. ప్రాక్టికల్ లిథియం-ఎయిర్ బ్యాటరీలు సంవత్సరాలు లేదా దశాబ్దాల దూరంలో ఉన్నాయి.

అర్థం చేసుకోవడానికిలిథియం బ్యాటరీలు అంటే ఏమిటిమరియు అవి ఆధునిక శక్తి నిల్వపై ఎందుకు ఆధిపత్యం చెలాయిస్తున్నాయి, నిర్దిష్ట శక్తి కీలక సమాధానాన్ని అందిస్తుంది. 1990లలో లిథియం-అయాన్ సాంకేతికత అభివృద్ధి సోనీ సెల్‌లలో బ్యాటరీ నిర్దిష్ట శక్తిని 120 Wh/kg నుండి ప్రస్తుత డిజైన్‌లలో 270 Wh/kgకి పెంచింది-మూడు దశాబ్దాలలో రెట్టింపు కంటే ఎక్కువ.

వివిధ లిథియం బ్యాటరీ రకాలు వాటి కెమిస్ట్రీ ఆధారంగా నిర్దిష్ట శక్తి స్థాయిలను చూపుతాయి. ఫోన్‌లలో ఉపయోగించే లిథియం కోబాల్ట్ ఆక్సైడ్ (LCO) సెల్‌లు అత్యధిక నిర్దిష్ట శక్తిని పొందుతాయి కానీ పరిమిత సైకిల్ లైఫ్ మరియు భద్రతా సమస్యలతో ఉంటాయి. లిథియం ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ (LFP) భద్రత మరియు దీర్ఘాయువు కోసం నిర్దిష్ట శక్తిని వర్తకం చేస్తుంది, ఇది తక్కువ నిర్దిష్ట శక్తి ఉన్నప్పటికీ ఎలక్ట్రిక్ బస్సులు మరియు స్థిర నిల్వకు ప్రాధాన్యతనిస్తుంది.

అధిక నిర్దిష్ట శక్తి కోసం పుష్ మెటీరియల్ పరిశోధనను నడిపిస్తుంది. కాథోడ్ మెటీరియల్స్ చాలా సెల్ బరువుకు కారణమవుతాయి, కాబట్టి తేలికైన, ఎక్కువ శక్తి-సాంద్రమైన కాథోడ్‌లు నేరుగా నిర్దిష్ట శక్తిని మెరుగుపరుస్తాయి. క్రియారహిత పదార్థాలను తగ్గించడం-ప్రస్తుత కలెక్టర్లు, సెపరేటర్‌లు, ప్యాకేజింగ్-అలాగే నిల్వ చేయబడిన శక్తిని తగ్గించకుండా ద్రవ్యరాశిని తగ్గించడం ద్వారా సహాయపడుతుంది.

ఆధునిక ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు లిథియం బ్యాటరీ నిర్దిష్ట శక్తి సామర్థ్యాలపై ఎక్కువగా ఆధారపడతాయి. ఒక సాధారణ EV బ్యాటరీ ప్యాక్ 250-270 Wh/kg నిర్దిష్ట శక్తితో సెల్‌లను ఉపయోగించి 50-100 kWhని నిల్వ చేస్తుంది. ఇది బ్యాటరీ బరువును నిర్వహించగలిగేలా ఉంచుతూ 200-400 మైళ్ల పరిధిని అనుమతిస్తుంది. నిర్దిష్ట శక్తి 350-400 Wh/kg వరకు పెరిగినందున, పరిధి దామాషా ప్రకారం విస్తరించబడుతుంది లేదా బ్యాటరీ బరువు తగ్గుతుంది, వాహన సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది.

వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ అదేవిధంగా లిథియం బ్యాటరీ నిర్దిష్ట శక్తిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. స్మార్ట్‌ఫోన్‌లు, ల్యాప్‌టాప్‌లు, టాబ్లెట్‌లు మరియు ధరించగలిగేవి లిథియం-అయాన్ లేదా లిథియం{2}}పాలిమర్ సెల్‌లను ప్రత్యేకంగా ఉపయోగిస్తాయి ఎందుకంటే వాటి అధిక నిర్దిష్ట శక్తి కాంపాక్ట్, తేలికైన పరికరాలలో తగిన రన్‌టైమ్‌ను అనుమతిస్తుంది. లిథియం సాంకేతికత యొక్క నిర్దిష్ట శక్తి ప్రయోజనాలు లేకుండా, ఆధునిక మొబైల్ కంప్యూటింగ్ అసాధ్యం.

నిర్దిష్ట శక్తి యూనిట్ ద్రవ్యరాశికి శక్తిని కొలుస్తుంది (Wh/kg), అయితే శక్తి సాంద్రత యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు శక్తిని కొలుస్తుంది (Wh/L). విమానాలు లేదా బ్యాక్‌ప్యాక్‌లు వంటి-బరువు ఎక్కువగా ఉండే{2}}నిర్దిష్ట శక్తికి ప్రాధాన్యతనిచ్చే అప్లికేషన్‌లు. స్థిరమైన ఎన్‌క్లోజర్‌లలో-వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్‌లు వంటి{5}}స్థలం పరిమితంగా ఉన్న అప్లికేషన్‌లు తరచుగా శక్తి సాంద్రతకు ప్రాధాన్యత ఇస్తాయి.

వాణిజ్య బ్యాటరీలలో, నికెల్-రిచ్ కాథోడ్‌లతో కూడిన అధునాతన లిథియం{0}}అయాన్ కణాలు ప్రస్తుతం 250-300 Wh/kg వద్ద అత్యధిక నిర్దిష్ట శక్తిని పొందుతాయి. ప్రయోగాత్మక ఘన-స్టేట్ లిథియం బ్యాటరీలు ప్రయోగశాల పరిస్థితుల్లో 400-500 Wh/kgని ప్రదర్శించాయి. లిథియం-ఎయిర్ బ్యాటరీలు సిద్ధాంతపరంగా 11,140 Wh/kgకి చేరుకుంటాయి కానీ ఆచరణాత్మకంగా ఉపయోగించబడవు.

వాతావరణ ఆక్సిజన్‌తో దహన సమయంలో విడుదలయ్యే రసాయన బంధాలలో గ్యాసోలిన్ శక్తిని నిల్వ చేస్తుంది. ఆక్సిజన్ గ్యాసోలిన్ ద్రవ్యరాశిలో లెక్కించబడనందున, దాని నిర్దిష్ట శక్తి చాలా ఎక్కువగా కనిపిస్తుంది (12,700 Wh/kg). బ్యాటరీలు తప్పనిసరిగా ఇంధనం మరియు ఆక్సిడైజర్ రెండింటినీ కలిగి ఉండాలి, వాటి నిర్దిష్ట శక్తిని పరిమితం చేస్తాయి. శిలాజ ఇంధన శక్తి సాంద్రతతో సరిపోలడానికి బ్యాటరీలు ఎందుకు కష్టపడతాయో ఈ ప్రాథమిక వ్యత్యాసం వివరిస్తుంది.

అవసరం లేదు. నిర్దిష్ట శక్తి ఒక పనితీరు కోణాన్ని మాత్రమే సూచిస్తుంది. అధిక నిర్దిష్ట శక్తి కలిగిన బ్యాటరీలు పేలవమైన సైకిల్ జీవితం, భద్రతా ప్రమాదాలు, అధిక ఖర్చులు లేదా పరిమిత విద్యుత్ ఉత్పత్తిని కలిగి ఉండవచ్చు. ఉత్తమ బ్యాటరీ అప్లికేషన్ అవసరాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది-కొన్నిసార్లు తక్కువ నిర్దిష్ట శక్తి డిజైన్‌లు ఇతర ప్రాంతాలలో అత్యుత్తమ లక్షణాల కారణంగా మెరుగ్గా పని చేస్తాయి.

నిర్దిష్ట శక్తిని కొలవడానికి జాగ్రత్తగా పరీక్షా విధానాలు అవసరం. బ్యాటరీల కోసం, ప్రామాణిక ప్రోటోకాల్‌లు సెల్‌ను పూర్తిగా ఛార్జ్ చేయడం, ఆ తర్వాత డెలివరీ చేయబడిన శక్తిని కొలిచేటప్పుడు నిర్దేశిత రేట్లు వద్ద డిశ్చార్జ్ చేయడం వంటివి ఉంటాయి. మొత్తం శక్తి ఉత్పాదనను కణ ద్రవ్యరాశితో భాగిస్తే నిర్దిష్ట శక్తి Wh/kgలో లభిస్తుంది.

బహుళ సంస్థలు నిర్దిష్ట శక్తి కొలత కోసం ప్రమాణాలను నిర్వహిస్తాయి. అంతర్జాతీయ ఎలక్ట్రోటెక్నికల్ కమిషన్ (IEC) తయారీదారుల మధ్య స్థిరత్వాన్ని నిర్ధారించే పరీక్షా విధానాలను ప్రచురిస్తుంది. ఉత్సర్గ రేటు, ఉష్ణోగ్రత మరియు పరీక్ష పద్దతి ఆధారంగా ఫలితాలు మారవచ్చు, కాబట్టి నిర్దిష్ట శక్తి విలువలను పోల్చడానికి పరీక్ష పరిస్థితులను అర్థం చేసుకోవడం అవసరం.

సెల్-స్థాయి కొలతలు ప్యాక్{1}}స్థాయి విలువలకు గణనీయంగా భిన్నంగా ఉంటాయి. బ్యాటరీ ప్యాక్‌లలో నిర్వహణ ఎలక్ట్రానిక్స్, కూలింగ్ సిస్టమ్‌లు మరియు శక్తిని నిల్వ చేయకుండా ద్రవ్యరాశిని జోడించే నిర్మాణ భాగాలు ఉన్నాయి. ప్యాక్-స్థాయి నిర్దిష్ట శక్తి సాధారణంగా సెల్-స్థాయి విలువలలో 65-75%కి చేరుకుంటుంది. అప్లికేషన్ పనితీరును గణిస్తున్నప్పుడు సిస్టమ్ డిజైనర్లు ఈ తగ్గింపును తప్పనిసరిగా లెక్కించాలి.

Specific Energy

నిర్దిష్ట శక్తి మెరుగుదలలు ప్రాథమిక పదార్థ లక్షణాలు మరియు తయారీ పురోగతి ఆధారంగా ఊహాజనిత పథాన్ని అనుసరిస్తాయి. పరిశోధకులు ఎలక్ట్రోడ్ ఫార్ములేషన్‌లను ఆప్టిమైజ్ చేయడం, క్రియారహిత పదార్థ ద్రవ్యరాశిని తగ్గించడం మరియు తయారీ సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడం వలన పెరుగుతున్న లాభాలు కొనసాగుతాయి. పరిణామాత్మక మెరుగుదలల ద్వారా రాబోయే దశాబ్దంలో లిథియం-అయాన్ నిర్దిష్ట శక్తి 350-400 Wh/kgకి చేరుకుంటుందని ప్రస్తుత అంచనాలు సూచిస్తున్నాయి.

విప్లవాత్మక మార్పులకు కొత్త రసాయనాలు అవసరం. సాంకేతిక సవాళ్లను పరిష్కరిస్తే ఘన-స్టేట్ బ్యాటరీలు 400-500 Wh/kgకి పెరగవచ్చు. లిథియం-సల్ఫర్ మరియు లిథియం{7}}ఎయిర్ బ్యాటరీలు మరింత ఎక్కువ నిర్దిష్ట శక్తిని వాగ్దానం చేస్తాయి కానీ గణనీయమైన అభివృద్ధి అడ్డంకులను ఎదుర్కొంటాయి. సోడియం-అయాన్ బ్యాటరీలు నిర్దిష్ట శక్తి ఖర్చుతో తక్కువ ధరను అందిస్తాయి, ఆర్థికశాస్త్రం కంటే బరువు తక్కువగా ఉండే అనువర్తనాలను లక్ష్యంగా చేసుకుంటాయి.

అధిక నిర్దిష్ట శక్తి యొక్క ప్రభావం స్పష్టమైన అనువర్తనాలకు మించి విస్తరించింది. గ్రిడ్-స్కేల్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ బ్యాటరీ నిర్దిష్ట శక్తి మెరుగుపడుతుంది మరియు ఖర్చు తగ్గుతుంది. పోర్టబుల్ వైద్య పరికరాలు ఛార్జీల మధ్య ఎక్కువసేపు పనిచేస్తాయి. రన్‌టైమ్‌ను త్యాగం చేయకుండా పవర్ టూల్స్ తేలికగా మారతాయి. నిర్దిష్ట శక్తిలో ప్రతి పెరుగుతున్న మెరుగుదల అనేక పరిశ్రమలలో కొత్త అవకాశాలను అనుమతిస్తుంది.

విద్యుత్ రవాణా కోసం ప్రత్యేకంగా, నిర్దిష్ట శక్తి మెరుగుదలలు శిలాజ ఇంధనాలకు వ్యతిరేకంగా బ్యాటరీల బరువు మరియు ధర పెనాల్టీని తగ్గించడం ద్వారా స్వీకరణను ప్రోత్సహిస్తాయి. నిర్దిష్ట శక్తిలో ప్రతి 50 Wh/kg పెరుగుదల సుమారుగా 15-20% ఎక్కువ వాహన శ్రేణి లేదా సమానమైన బరువు తగ్గింపుకు అనువదిస్తుంది, ఇది ఎలక్ట్రిక్ మొబిలిటీకి పరివర్తనను వేగవంతం చేస్తుంది. ఆటోమోటివ్ పరిశ్రమ 400 Wh/kgని థ్రెషోల్డ్‌గా చూస్తుంది, ఇది ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలను అన్ని మార్కెట్ విభాగాలలో సాంప్రదాయ వాహనాలతో బరువు మరియు ధరపై పోటీగా చేస్తుంది.

నిర్దిష్ట శక్తి మరియు దాని చిక్కులను అర్థం చేసుకోవడం ఇంజనీర్లు, డిజైనర్లు మరియు వినియోగదారులు శక్తి నిల్వ సాంకేతికతల గురించి సమాచారం నిర్ణయాలు తీసుకోవడంలో సహాయపడుతుంది. కొత్త ఉత్పత్తి కోసం బ్యాటరీ కెమిస్ట్రీని ఎంచుకున్నా, ఎలక్ట్రిక్ వెహికల్ రేంజ్ క్లెయిమ్‌లను మూల్యాంకనం చేసినా లేదా కొన్ని అప్లికేషన్‌లు బ్యాటరీ సామర్థ్యాలకు మించి ఎందుకు మిగిలి ఉన్నాయో అర్థం చేసుకున్నా, నిర్దిష్ట శక్తి అవసరమైన సందర్భాన్ని అందిస్తుంది. పరిశోధన ఈ మెట్రిక్‌ను అధికం చేస్తున్నందున, ఆధునిక సాంకేతిక పరిజ్ఞానంలో విద్యుత్ శక్తి నిల్వ పాత్రను విస్తరిస్తూ, గతంలో అసాధ్యమైన అప్లికేషన్‌లు సాధ్యమవుతాయి.