लीथियम ऑयन बैटरी
जीवाश्म ईंधन जैसे कोयला पेट्रोलियम के सीमित होने के चलते वैकल्पिक ईंधन स्रोतों को विकसित करने हेतु वैज्ञानिक अनुसंधान शुरू किये गए जिसकी परिणति बैटरी के रूप में हुई। ऐसा कहा जा सकता है कि 19वीं सदी की शुरुआत रासायनिक बैटरियों की रही।
प्रिय मित्रों अधिकांश रूप से आप सभी के मोबाइल फोन मे ऊर्जा आपूर्ति के लिए लीथियम ऑयन बैटरी का इस्तेमाल किया गया होगा या कुछ मोबाइलों मे लीथियम पॉलीमर बैटरी का इस्तेमाल किया गया होगा पर क्या आप लोग इस बैटरी के बारे मे जानते हैं? यदि नहीं! तो आइए जानते हैं
जब लिथियम आयन बैटरी का आविष्कार नहीं हुआ था तब कई वर्षों तक, निकल-कैडमियम बैटरी वायरलेस संचार वा मोबाइल कंप्यूटिंग जैसे पोर्टेबल उपकरणों के लिए एकमात्र उपयुक्त बैटरी हुआ करती थी। निकल-मेटल-हाइड्राइड और लिथियम-आयन 1990 के दशक की शुरुआत में उभर कर सामने आया, और कई मुश्किल चुनौतियों से लड़ते हुए जैसे शार्ट-सर्किट, भयंकर ज्वाला विस्फोट आदि जैसी रखरखाव की समस्या को दूर कर के इंजीनियर्स ने इस रसायन को शानदार बैटरी का आकार प्रदान किया। आज लिथियम-आयन सबसे तेजी से बढ़ता हुआ और सबसे होनहार बैटरी रसायन माना जाता है।
इस चुनौती से उबरने हेतु वैज्ञानिकों ने लिथियम धातु के स्थान पर लिथियम आयन आधारित तकनीक को अपनाने का निर्णय लिया। यद्यपि लिथियम-आयन बैटरियाँ ऊर्जा घनत्व के मामले में धात्विक लिथियम बैटरियों से थोड़ी कमजोर थीं, लेकिन सुरक्षा की दृष्टि से अधिक उपयुक्त सिद्ध हुईं। यदि चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान आवश्यक सावधानियाँ बरती जाएँ, तो ये बैटरियाँ लंबे समय तक स्थिर रूप से कार्य कर सकती हैं। वर्ष 1991 में सोनी कॉर्पोरेशन ने इन बैटरियों का व्यावसायिक उत्पादन प्रारंभ किया, जिससे यह तकनीक आम उपभोक्ताओं तक पहुँची।
यदि लिथियम-आयन बैटरी के विकास क्रम से जुड़े प्रमुख वैज्ञानिकों की चर्चा करें, तो स्टेनली व्हिटिंगम का नाम सर्वोपरि आता है। इन्होंने लिथियम के रासायनिक गुणों का अध्ययन करते हुए इसे एक आदर्श ऊर्जा वाहक के रूप में स्थापित किया। इसके पश्चात जॉन गुडइनफ ने व्हिटिंगम की अवधारणा को परिष्कृत किया और सिद्ध किया कि यदि कैथोड को धात्विक सल्फाइड के स्थान पर धात्विक ऑक्साइड, विशेष रूप से लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड से निर्मित किया जाए, तो बैटरी की क्षमता लगभग दोगुनी की जा सकती है। गुडइनफ के इस शोध ने बैटरियों को चार्ज करने की प्रक्रिया को अधिक व्यावहारिक बनाया और उन्हें उपयोग के बाद पुनः चार्ज किया जाना संभव हो सका।
इसके पश्चात अकीरा योशिनो ने गुडइनफ के कैथोड डिज़ाइन को आधार बनाकर एनोड सामग्री में नवाचार किया। उन्होंने पेट्रोलियम कोक (जो तेल उद्योग का एक उप-उत्पाद है) का प्रयोग किया। जब इस कोक में इलेक्ट्रॉनों को प्रवाहित किया गया, तो लिथियम आयन उसमें समाहित हो गए। बैटरी के सक्रिय होने पर ये आयन एवं इलेक्ट्रॉन पुनः कैथोड की ओर प्रवाहित होने लगे। परिणामस्वरूप, एक ऐसी बैटरी निर्मित हुई जो न केवल स्थिर थी, बल्कि दीर्घकालिक उपयोग हेतु उपयुक्त भी सिद्ध हुई। इस बैटरी का वोल्टेज लगभग 4 वोल्ट था, जो गुडइनफ की बैटरी के समकक्ष था, परंतु इसकी विशेषता यह थी कि इसे कई बार चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता था, और यह सुरक्षित, विश्वसनीय तथा टिकाऊ थी।
इस प्रकार, लिथियम-आयन बैटरी के विकास की यह यात्रा वैज्ञानिक नवाचार, तकनीकी सुधार एवं सुरक्षा को लेकर की गई सतत खोज का परिणाम रही। यह आधुनिक ऊर्जा भंडारण तकनीक के इतिहास में एक मील का पत्थर सिद्ध हुई।
लीथियम-ऑयन बैटरी का सिद्धांत वा कार्यविधि:-
जब ठोस पदार्थों का अध्ययन किया गया तब यह पाया गया कि कुुछ ठोस ऐसे थे जिनके परमाणुओं के बीच रिक्त स्थान था। तब इन रिक्त स्थानों में धनात्मक आवेशित आयनों को फिट किया गया तब इससे ठोस पदार्थों के गुणों में परिवर्तन हुआ। तथा यह पाया गया कि लीथियम एक हल्का तत्त्व है और एक इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोगी है क्योंकि एक बैटरी में इलेक्ट्रॉनों को एनोड (- इलेक्ट्रोड) से कैथोड (+इलेक्ट्रोड) की ओर प्रवाहित होना चाहिये। इसलिये एनोड में ऐसी सामग्री होनी चाहिये जो आसानी से अपने इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करती है और लीथियम में यह गुण पर्याप्त मात्रा में पाया गया। इस प्रकार इसे एक आदर्श बैटरी माना गया।xLi⁺ + xe⁻ + 6C ⇌ LiₓC₆
Li⁺ + LiCoO₂ → Li₂O + CoO
LiCoO₂ ⇌ Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻
लीथियम-ऑयन बैटरी की संरचना:-
लीथियम-ऑयन बैटरी का रखरखाव:-
लीथियम-ऑयन बैटरी के लाभ:-
- उच्च ऊर्जा घनत्व - लीथियम-ऑयन बैटरी मे ऊर्जा घनत्व की क्षमता उच्च होती है।आयरन आयन बैटरी का सामान्य परिस्थितियों में ऊर्जा घनत्व 350 वाॅट घंटे/किलोग्राम होता है, वहीं लीथियम आयन बैटरी का ऊर्जा घनत्व 220 वाॅट घंटे/किलोग्राम होता है। जिसका सीधा मतलब यह है कि छोटी सी बैटरी भी ज्यादा देर तक ऊर्जा देती रहे गी उदाहरण के लिए आप के कान मे लगने वाले ब्लूटूथ डिवाइस की छोटी सी बैटरी 1-3 दिन का बैकप प्रदान करती है
- पोर्टेबल - छोटे से छोटे डिवाइस मे आसानी से लगाई जा सकती है तथा यात्रा करते समय पावर बैंक के रूप में आसानी से हैंडल किया जा सकता है
- नो प्राइमिंग - नए होने पर लंबे समय तक प्राइमिंग की जरूरत नहीं होती है। हाँ बैटरी को नियमित रूप से आवेशित करने की जरूरत रहती है।
- बेहतर लोड - इन बैटरियों की लोड संबंधी विशेषताएँ यथोचित रूप से अच्छी हैं और डिस्चार्ज के संदर्भ में निकल-कैडमियम के समान व्यवहार करती हैं।
- अपेक्षाकृत कम स्व-निर्वहन - स्व-निर्वहन का अर्थ यह है कि बैटरी स्वतः ही निरावेशित या डिस्चार्ज होने लग जाए, लीथियम-ऑयन बैटरी मे स्व-निर्वहन की समस्या अन्य बैटरियों के मुकाबले जैसे निकल आधारित बैटरी के मुकाबले आधे से भी कम है।
- कम रखरखाव - लीथियम-ऑयन बैटरी के यूजर को कोई खास रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है जैसे बैटरी मे पानी की जांच करना आदि, हाँ उपयोगकर्ता को यह ध्यान रखना चाहिए कि बैटरी ओवर चार्ज नहीं होने पाए हाला कि ऑटो कट ने यूजर की यह समस्या भी काफी हद तक साल्व कर दी है तथा लीथियम-ऑयन बैटरी मे आवधिक निर्वहन या डिस्चार्ज की आवश्यकता नहीं होती है।
- उच्च धारा - मोबाइल लैपटॉप या ड्रोन जैसे बिजली उपकरणों का अनुप्रयोगों करते समय आवश्यक बहुत उच्च धारा प्रदान करने मे सक्षम है।
लीथियम-ऑयन बैटरी की सीमाएं:-
- अस्थिर वोल्टेज - हालांकि यह उतना अस्थिर नहीं है फिर भी मोबाइल जैसे संवेदनशील डिवाइस को निश्चित विभवान्तर देने के लिए सुरक्षित सीमा के भीतर वोल्टेज को बनाए रखना होता है अतः बैटरी मे संलग्न सुरक्षा सर्किट की आवश्यकता होती है।
- उम्र बढ़ने के अधीन - ज़्यादातर लीथियम आयन बैटरियों की समय के साथ क्षमता में कमी एक चिंता का विषय है। आप की बैटरी भले ही उपयोग में न हो, वह समय के साथ कमजोर पड़ती जाती है हाला कि 40% चार्ज करके यदि ठंडी जगह पर भंडारण किया जाए तो यह उम्र बढ़ने के प्रभाव को कम करता है।
- परिवहन प्रतिबंध - बड़ी मात्रा में शिपमेंट नियामक नियंत्रण के अधीन हो सकता है। अतः सुरक्षा के मद्देनजर निश्चित सीमा से ज्यादा बैटरी हवाई जहाज मे या अन्य माध्यम मे परिवहन करने पर रोक होती है हालांकि यह प्रतिबंध व्यक्तिगत कैरी-ऑन बैटरियों पर जैसे मोबाइल या लैपटॉप पर लागू नहीं होता है।
- निर्माण के लिए महगी - लीथियम-ऑयन बैटरी की निर्माण लागत ज्यादा है अतः यह निकल-कैडमियम बैटरी की तुलना में लगभग 40 प्रतिशत अधिक महगी होती है।
- पूरी तरह से परिपक्व नहीं - लीथियम-ऑयन बैटरी को और अधिक उन्नत बनाने के लिए लगातार शोध कार्य जारी हैं अतः बैटरी के धातु और रसायन निरंतर बदल रहे हैं। रसायन विज्ञान के लिये वर्ष 2019 का नोबेल पुरस्कार जॉन बी. गुडइनफ, एम. स्टैनले व्हिटिंगम एवं अकीरा योशिनो को लीथियम आयन बैटरी के विकास हेतु दिया गया था।