લિથિયમ-આયન બેટરી: ઇલેક્ટ્રિક વાહનોની ક્રાંતિ અને આધુનિક ઉર્જાનું રસાયણશાસ્ત્ર

આજના આધુનિક યુગમાં આપણી આસપાસ રહેલા સ્માર્ટફોન, લેપટોપથી લઈને રસ્તા પર દોડતા ઇલેક્ટ્રિક વાહનો (electric vehicles) સુધીની તમામ ટેકનોલોજીનો મુખ્ય આધાર લિથિયમ-આયન બેટરી છે. લિથિયમ-આયન બેટરી એ ફરીથી ચાર્જ કરી શકાય તેવી રીચાર્જેબલ (rechargeable) બેટરીનો એક પ્રકાર છે. તે ઉર્જાનો સંગ્રહ કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોનિક રીતે વાહક ઘન પદાર્થોમાં લિથિયમ આયનોની રિવર્સિબલ ઇન્ટરકેલેશન (reversible intercalation) એટલે કે આયનોની અંદર અને બહાર જવાની રાસાયણિક પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરે છે.

સન ૧૯૯૧ માં જ્યારે લિથિયમ-આયન બેટરીનું પ્રથમ વ્યાપારી વેચાણ શરૂ થયું હતું, ત્યારથી લઈને અત્યાર સુધીના ત્રણ દાયકામાં તેની કદ આધારિત ઉર્જા ઘનતા એટલે કે વોલ્યુમેટ્રિક એનર્જી ડેન્સિટી (volumetric energy density) માં ત્રણ ગણો વધારો થયો છે. આ જ સમયગાળા દરમિયાન તેના ઉત્પાદનની કિંમતમાં દસ ગણો ઘટાડો નોંધાયો છે. સન ૨૦૨૪ ના અંત સુધીમાં, વિશ્વભરમાં લિથિયમ-આયન બેટરીની વાર્ષિક માંગ ૧ ટેરાવોટ-અવર (terawatt-hour) ને વટાવી ગઈ છે, જ્યારે વૈશ્વિક ઉત્પાદન ક્ષમતા આ માંગ કરતાં બમણા કરતાં પણ વધુ પહોંચી ગઈ છે.

આ ટેકનોલોજીના ક્રાંતિકારી પ્રભાવને ધ્યાનમાં રાખીને વર્ષ ૨૦૧૯ માં રસાયણશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઈઝ (Nobel Prize in Chemistry) લિથિયમ-આયન બેટરીના વિકાસમાં મહત્વપૂર્ણ યોગદાન આપનાર વૈજ્ઞાનિકોને આપવામાં આવ્યું હતું. આ બેટરીઓએ માત્ર પોર્ટેબલ કન્ઝ્યુમર ઈલેક્ટ્રોનિક્સને જ શક્ય નથી બનાવ્યા, પરંતુ પાવર ગ્રીડ માટે ગ્રીડ-સ્કેલ એનર્જી સ્ટોરેજ તથા સંરક્ષણ અને એરોસ્પેસ ક્ષેત્રે પણ મોટી ક્રાંતિ આણી છે.

લિથિયમ બેટરીનો ઇતિહાસ અને નોબેલ વિજેતાઓની શોધ

લિથિયમ-આયન બેટરીનો ઇતિહાસ ૧૯૭૦ ના દાયકામાં શરૂ થયો હતો, જ્યારે એમ. સ્ટેનલી વ્હિટિંગહામ (M. Stanley Whittingham) નામના વૈજ્ઞાનિકે ઇન્ટરકેલેશન ઇલેક્ટ્રોડ્સનો ખ્યાલ રજૂ કર્યો હતો. તેમણે ટાઇટેનિયમ ડિસલ્ફાઇડ (titanium disulfide) કેથોડ અને લિથિયમ-એલ્યુમિનિયમ એનોડ પર આધારિત પ્રથમ રીચાર્જેબલ લિથિયમ બેટરી બનાવી હતી. જોકે, તેમાં સુરક્ષા સંબંધિત ખામીઓ હોવાના કારણે તેનું વ્યાપારીકરણ થઈ શક્યું નહોતું.

ત્યારબાદ વર્ષ ૧૯૮૦ માં જોન ગુડઇનફ (John Goodenough) એ આ સંશોધનને આગળ ધપાવ્યું અને કેથોડ તરીકે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (lithium cobalt oxide) નો ઉપયોગ કરીને બેટરીની ક્ષમતામાં મોટો સુધારો કર્યો. વર્ષ ૧૯૮૫ માં અકીરા યોશિનો (Akira Yoshino) એ શુદ્ધ લિથિયમ ધાતુના બદલે કાર્બનયુક્ત પદાર્થ એટલે કે ગ્રેફાઇટનો એનોડ તરીકે ઉપયોગ કરીને આધુનિક લિથિયમ-આયન બેટરીનો પ્રથમ પ્રોટોટાઇપ તૈયાર કર્યો.

આ સંશોધનોના આધારે Sony અને Asahi Kasei ની સંયુક્ત ટીમે યોશિયો નિશી (Yoshio Nishi) ના નેતૃત્વ હેઠળ વર્ષ ૧૯૯૧ માં પ્રથમ વ્યાપારી લિથિયમ-આયન બેટરી બજારમાં મૂકી. આ ત્રણેય વૈજ્ઞાનિકો વ્હિટિંગહામ, ગુડઇનફ અને યોશિનોને માનવજાતને આ ક્રાંતિકારી સાધન આપવા બદલ ૨૦૧૯ નું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.

બેટરી કેવી રીતે કામ કરે છે? 'રોકિંગ-ચેર' ક્રિયા વિધિ

લિથિયમ-આયન બેટરીની અંદર રસાયણશાસ્ત્રનો એક સુંદર સિદ્ધાંત કામ કરે છે. બેટરીની અંદર મુખ્યત્વે ત્રણ ભાગો હોય છે: ધન ઇલેક્ટ્રોડ જેને કેથોડ (cathode) કહેવાય છે, ઋણ ઇલેક્ટ્રોડ જેને એનોડ (anode) કહેવાય છે, અને તેમની વચ્ચે રહેલું પ્રવાહી જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (electrolyte) તરીકે ઓળખાય છે. મોટાભાગની કોમર્શિયલ બેટરીઓમાં એનોડ તરીકે ગ્રેફાઇટ (graphite) નો ઉપયોગ થાય છે, જેમાં ક્ષમતા વધારવા માટે ઘણીવાર સિલિકોન ભેળવવામાં આવે છે.

બેટરી જ્યારે ડિસ્ચાર્જ (discharge) થઈ રહી હોય, એટલે કે જ્યારે તે વાહન કે ફોનને પાવર આપે છે, ત્યારે ઋણ ઇલેક્ટ્રોડ (એનોડ) પર ઓક્સિડેશન (oxidation) ની પ્રક્રિયા થાય છે. આ પ્રક્રિયાથી ધન વીજભાર ધરાવતા લિથિયમ આયનો અને ઋણ વીજભાર ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત થાય છે. લિથિયમ આયનો બેટરીના આંતરિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ માધ્યમમાંથી પસાર થઈને કેથોડ તરફ જાય છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન બહારના સરકિટ (external circuit) માંથી પસાર થઈને કેથોડ સુધી પહોંચે છે.

ચાર્જિંગ (charging) કરતી વખતે બહારનો પાવર સપ્લાય ઇલેક્ટ્રોનને ધન ઇલેક્ટ્રોડથી ઋણ ઇલેક્ટ્રોડ તરફ જવાની ફરજ પાડે છે. લિથિયમ આયનો કેથોડમાંથી નીકળીને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મારફતે ફરીથી ગ્રેફાઇટ એનોડના સ્તરોની અંદર ગોઠવાઈ જાય છે. લિથિયમ આયનો બંને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે હિંચકાની જેમ આગળ-પાછળ ગતિ કરતા હોવાથી તેને વૈજ્ઞાનિક ભાષામાં 'રોકિંગ-ચેર બેટરી' (rocking-chair battery) પણ કહેવામાં આવે છે.

ટેકનિકલ આંકડા અને રાસાયણિક પ્રકારો

લિથિયમ-આયન સેલનો નામાંકિત વોલ્ટેજ (nominal voltage) ૩.૬ V અથવા ૩.૭ V હોય છે. રસાયણશાસ્ત્રની દ્રષ્ટિએ, લિથિયમનો દરેક ગ્રામ ૧૩,૯૦૧ કુલમ્બ (coulombs) વીજભાર ધરાવે છે. ૩ વોલ્ટના વોલ્ટેજ પર આ ક્ષમતા લિથિયમ પર ગ્રામ ૪૧.૭ કિલોજૂલ (kJ) અથવા પ્રતિ કિલોગ્રામ લિથિયમે ૧૧.૬ કિલોવોટ-અવર (kWh) ઉર્જા સમાન થાય છે. આ ઉર્જા ગેસોલિનના દહનથી મળતી ઉર્જા કરતા પણ થોડી વધુ છે, પરંતુ બેટરીમાં વપરાતા અન્ય સામગ્રીના વજનના કારણે આખી બેટરી સિસ્ટમ ભારે થાય છે.

લિથિયમ-આયન બેટરીઓને તેમના કેથોડમાં વપરાતી સામગ્રીના આધારે અલગ-અલગ શ્રેણીઓમાં વહેંચવામાં આવે છે. સ્માર્ટફોન અને લેપટોપ જેવા સાધનોમાં લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LiCoO2) નો ઉપયોગ થાય છે જે ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા આપે છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રિક વાહનો માટે લિથિયમ નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (NMC) અને લિથિયમ નિકલ કોબાલ્ટ એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (NCA) નો ઉપયોગ થાય છે.

હાલના સમયમાં લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LiFePO4 અથવા LFP) કેમિસ્ટ્રી પણ ખૂબ જ લોકપ્રિય બની છે. LFP માં મોંઘા કોબાલ્ટનો ઉપયોગ થતો નથી, તેથી તે વધુ સસ્તી, સુરક્ષિત અને લાંબુ આયુષ્ય આપનારી બેટરી ગણાય છે.

સુરક્ષાના પડકારો, પર્યાવરણ અને ભવિષ્યની ટેકનોલોજી

લિથિયમ-આયન બેટરીઓ અત્યંત કાર્યક્ષમ હોવા છતાં, તેમાં કેટલીક સુરક્ષા સંબંધિત મર્યાદાઓ રહેલી છે. બેટરીની અંદર રહેલું પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ જ્વલનશીલ ઓર્ગેનિક કાર્બોનેટનું મિશ્રણ હોય છે. જો બેટરી ઓવરચાર્જ થાય (જેમ કે ૫.૨ વોલ્ટથી વધુ) અથવા તો આંતરિક શોર્ટ સરકિટ થાય, તો થર્મલ રનઅવે (thermal runaway) ની સ્થિતિ સર્જાઈ શકે છે, જેનાથી બેટરી ફૂલી જાય છે અથવા તેમાં બ્લાસ્ટ થઈને આગ લાગી શકે છે.

બેટરીના વધુ પડતા ડિસ્ચાર્જિંગથી લિથિયમ ઓક્સાઇડ અને કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ બને છે, જે અપ્રતિવર્તી (irreversible) ક્ષય હોવાથી બેટરીને કાયમી નુકસાન પહોંચાડે છે. આ ઉપરાંત સતત વપરાશ, ચાર્જિંગ સાયકલ અને તાપમાનના લીધે બેટરીના પરફોર્મન્સમાં સમય જતાં ઘટાડો થાય છે.

પર્યાવરણીય દ્રષ્ટિએ પણ લિથિયમ અને કોબાલ્ટનું ખાણકામ ચિંતાનો વિષય છે. લિથિયમ નિષ્કર્ષણ માટે શુષ્ક પ્રદેશોમાં મોટા પ્રમાણમાં પાણી વપરાય છે. આ સમસ્યાઓના ઉકેલ માટે સંશોધકો હવે સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી (solid-state batteries) વિકસાવી રહ્યા છે જેમાં જ્વલનશીલ પ્રવાહીના સ્થાને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ થશે. આ ઉપરાંત સોડિયમ-આયન (sodium-ion) અને આયર્ન-એર (iron-air) જેવી નવી કેમિસ્ટ્રી પર પણ સંશોધન ચાલી રહ્યું છે.